[과학을 읽다]신축성 있는 슈퍼커패시터 나온다

KIST 연구팀, 그래핀 구조체 이용해 개발

▲그래핀 용액을 얼음 기둥을 통해 그래핀 벌집 구조체를 제작한 후 이를 김밥을 마는 듯한 압축 공정을 통해 안쪽으로 굽어져 신축성을 확보하는 그래핀 구조체를 제작하는 공정에 대한 모식도.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 스마트 시대에 중요한 것 중의 하나는 전지입니다. 웨어러블이 등장하면서 신축성 있는 전지에 대한 수요가 높아지고 있는 실정입니다. 국내 연구팀이 신개념 그래핀 구조체로 늘어나는 전지(슈퍼커패시터)를 내놓았습니다. 얼음 결정 방법과 김밥을 마는 기술에 착안한 신축성 그래핀 구조체입니다.

전자 산업의 급속한 발전으로 웨어러블, 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 증가하고 있습니다. 새로운 개념의 에너지 변환, 저장 소재의 개발 필요성이 증가하고 있습니다. 국내 연구팀이 꿈의 나노 물질인 그래핀을 벌집 모양으로 제작한 뒤 이를 김밥 말 듯 압축하는 공정을 통해 아코디언처럼 굽어진 신축성 그래핀 구조체를 제작했습니다. 이를 통해 최고 수준의 신축 에너지 저장소자 개발에 성공했습니다.

구조적으로 신축성을 가지는 원리를 응용해 안쪽으로 구부러진 벌집 모양의 구조체를 전도성과 비표면적이 매우 높은 그래핀으로 제작해 신축성을 가집니다. 높은 에너지 저장 밀도를 확보할 수 있는 신축(stretchable) 슈퍼커패시터 에너지 저장 소자를 제작했습니다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 이온 전하와 전자의 물리적 흡·탈착을 이용해 충·방전이 이뤄지는 전지 시스템을 말합니다.

그래핀 소재는 우수한 전기 전도도, 유연성과 매우 높은 비표면적을 지니고 있습니다. 이 때문에 슈퍼커패시터와 배터리 전극에서 이상적 소재로 알려져 왔습니다. 그래핀 자체는 신축성이 없어 기존의 신축성 에너지 저장 연구는 신축성 기판 소재에 전극소재를 덧붙임으로써 신축성을 의존하는 형태였습니다.

이 경우 신축성 기판과 떨어지지 않도록 그래핀을 빈틈없이 강하게 붙여야 합니다. 이는 필연적으로 비표면적을 감소시켜 성능 저하를 가지는 한계가 있었습니다.

연구팀은 아코디언이나 종이접기에서 안쪽으로 굽어있는 구조가 신축성을 구조적으로 확보할 수 있음에 주목했습니다. 얼음 결정을 형판(template)으로 사용해 벌집 모양의 그래핀 구조체를 제작했습니다. 이후 김밥을 마는 형태로 전 방향에 압축 공정을 가해 줌으로써 안쪽으로 굽어 있는 벌집 모양의 그래핀 구조체를 구현했습니다. 전 방향으로 신축이 가능합니다.

이 때 소량으로 섞어준 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)가 그래핀 사이에 삽입돼 구조체의 스프링 역할을 수행하며 동시에 구조체의 비표면적을 크게 늘려주는 역할을 담당했습니다. 연구팀은 이렇게 제작된 신축성 그래핀 구조체를 100% 이상 두 방향으로 늘렸을 때에도 전기전도도의 변화에 차이가 없음을 확인했습니다.

이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 광전하이브리드연구센터의 손정곤 박사팀이 중앙대학교 이종휘 교수팀, 서울대학교 차국헌 교수팀과 공동연구를 통해 수행했습니다. 국제 과학 전문지인 'Nanosclae' 9월1일자로 온라인(논문명: 2D Reentrant Auxetic Structures of Graphene/CNT Networks for Omnidirectionally Stretchable Supercapacitors)에 실렸습니다.

손정곤 박사는 "이번 연구의 신축성 그래핀 나노구조체는 슈퍼커패시터뿐 아니라 다양한 에너지 저장 관련 전극으로 사용이 가능하다"며 "최근 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에 신축성 에너지 저장 소자로 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다"고 말했습니다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr