"전기 통하는 종이·직물 개발"..플렉시블·웨어러블에 접목

전통한지를 이용한 '슈퍼커패시터'소자 개발

연구진이 전극제작법을 통해 대면적의 종이(전통한지)(왼쪽)나 천(오른쪽)과 같은 직물소재에 금속의 전도성을 구현했다. 이렇게 제작된 전극은 직물이 갖은 고유한 기계적 특성을 그대로 발현할 수 있다. (사진제공=한국연구재단)© News1

(서울=뉴스1) 박희진 기자 = 종이에 전기를 통하게 하는 기술이 개발됐다. 기존 축전기에 비해 높은 출력이 가능한데다 단위면적이 넓어 플렉시블 및 웨어러블 전기·전자 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

한국연구재단은 고려대 조진한 교수 연구팀과 미국 조지아텍 이승우 교수 연구팀이 주변에서 쉽게 구할 수 있는 전통한지를 이용해 순간적으로 높은 출력을 낼 수 있는 최고 성능의 슈퍼커패시터 소자를 개발했다고 21일 밝혔다.

슈퍼커패시터(supercapacitor)는 기존 커패시터(축전기)에서 축전용량을 향상시킨 에너지 저장 소자로 일반 이차전지보다 에너지 밀도(충전량)는 적지만 순간적으로 고출력(리튬전지의 5배)을 낼 수 있다.

종이나 천과 같은 직물 소재는 표면적이 매우 넓으며 가볍고 유연해 가공하기 쉽다. 이를 전기·전자 소자에 적용할 경우 넓은 전극 표면적을 요구하는 플렉시블, 혹은 웨어러블 소자를 만들 수 있다.

하지만 직물 소재는 절연성이 강해 기존 연구에서는 탄소나노튜브 등 탄소를 기반으로 한 전도성 물질을 도입하는 방법을 시도했으나 전기 전도도가 금속보다 상대적으로 낮고 에너지밀도가 낮아서 에너지 저장소자의 파워 및 에너지 밀도를 높이는 데 한계점가 있었다.

연구팀은 새로운 단분자 리간드 층상자기조립법을 개발해 직물소재 표면에 나노 크기의 금속 및 금속산화물 입자를 매우 균일하고 조밀하게 코팅함으로써 금속 종이전극과 이를 집전체로 하는 유연성이 좋은 종이 슈퍼커패시터 소자 제작에 성공했다.

이렇게 제작된 종이 전극은 직물 소재 고유의 기계적·구조적 특성 변화 없이 금속의 전기 전도도를 나타냈다. 이러한 종이 전극을 기반으로 제작된 종이 슈퍼커패시터 소자는 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 인해 높은 축전용량과 출력 값을 보였다.

조진한 교수는 "이 연구는 무기 나노입자를 직물 소재에 직접 코팅해 전기·전자소자에 적합한 전극을 제작한 최초의 사례"라며 "전 공정이 용액 속에서 진행되기 때문에 다양한 형태의 소재에 적용할 수 있고 표면적을 키우기도 용이해 앞으로 플렉시블 및 웨어러블 전기·전자 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부와 ·한국연구재단 기초연구사업(개인연구) 지원으로 수행됐고 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 지난 14일자에 게재됐다.

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