조진한 교수 연구팀, 전통한지를 이용한 슈퍼커패시터 소자 개발

고출력, 대용량 플렉시블/웨어러블 소자 플랫폼 제공 기대

공과대학 화공생명공학과 조진한 교수 연구팀과 미국 조지아텍 이승우 교수 연구팀은  주변에서 쉽게 구할 수 있는 전통한지를 이용해 순간적으로 높은 출력을 낼 수 있는 최고 성능의 슈퍼커패시터 소자를 개발했다.

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

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. 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 가장 큰 한계점으로 작용해 왔다.

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

* 층상자기조립법(layer-by-layer assembly) : 물질 간 강한 친화력(정전기 인력, 수소결합, 공유결합 등)을 바탕으로 각 물질 층을 교차로 적층하면서 박막 형태의 기능성 복합체를 제작할 수 있는 상향식 나노제조기술을 일컬음.

이렇게 제작된 종이 전극은 직물 소재 고유의 기계적·구조적 특성 변화 없이 금속의 전기 전도도를 나타냈으며, 이러한 종이 전극을 기반으로 제작된 종이 슈퍼커패시터 소자는 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 인해 높은 축전용량과 출력 값을 보였다. 이번 연구에서 개발된 단분자 리간드 치환 층상자기조립법을 이용하여 최초로 직물 소재에 에너지 소자를 구현한 것으로, 입자 간 거리를 최소화해 전극의 내부 저항을 획기적으로 낮춤으로써 높은 출력과 축전용량을 구현할 수 있었다.

* 리간드 : 착화합물의 중심원자와 배위결합하며 주위를 둘러싸고 있는 분자 혹은 이온을 일컬음.

* 단분자 리간드 치환 층상자기조립법 : 물질 간 친화도(결합력) 차이를 이용한 조립법. 입자 표면에 결합해 있는 리간드보다 더 큰 친화도를 갖는 단분자 리간드를 이용해 박막을 제작하면 입자 표면에 결합해 있던 리간드가 떨어지고 새로운 단분자 리간드가 그 자리에 치환됨.

조진한 고려대 교수는 “이 연구는 무기 나노입자를 직물 소재에 직접 코팅해 전기·전자소자에 적합한 전극을 제작한 최초의 사례로, 전 공정이 용액 속에서 진행되기 때문에 다양한 형태의 소재에 적용할 수 있고 표면적을 키우기도 쉽다. 앞으로 플렉시블 및 웨어러블 전기·전자 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단 기초연구사업(개인연구) 지원으로 수행되었고 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월 14일자에 게재됐다.

- 논문명 : Flexible Supercapacitor Electrodes Based on Real Metal-like Cellulose Papers

- 저자 정보 : 조진한 교수(교신저자, 고려대학교), 이승우 교수(교신저자, Georgia Tech. 미국), 고용민 박사(제1저자, 고려대학교)

[ 용 어 설 명 ]

1. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)

ㅇ 인용지수 12.124의 자연과학 분야 최고 권위의 과학학술지

2. 슈퍼커패시터(Supercapacitor)

ㅇ 기존 커패시터에서 축전용량을 향상시킨 에너지 저장 소자로, 축전이 발생되는 전극의 표면적을 늘리거나 산화/환원반응을 유발하는 물질을 삽입함으로써 전극을 구성할 수 있음.

3. 층상자기조립법(Layer-by-layer assembly, LbL)

ㅇ 물질 간 강한 친화력(정전기인력, 수소결합, 공유결합 등)을 바탕으로 각 물질 층을 교차로 적층하면서 박막형태의 기능성 복합체를 제작할 수 있는 상향식 나노제조기술임.

4. 리간드(Ligand)

ㅇ 착화합물의 중심원자와 배위결합하며 주위를 둘러싸고 있는 분자 혹은 이온의 통칭을 일컬음.

5. 단분자 리간드 치환 층상자기조립법(Molecule Ligand exchange-induced LbL)

ㅇ 물질 간 친화도(결합력) 차이를 이용한 층상자기 조립법. 즉, 입자 표면에 결합되어 있는 리간드보다 더 큰 친화도를 갖는 단분자리간드를 이용하여 박막을 제작함으로써 기존이 입자표면의 리간드가 떨어지고 새로운 리간드가 그 자리에 치환됨.

[ 그 림 설 명 ]

(그림1) 전극 제작 방법에 따른 입자 간 거리

금속나노입자를 이용한 전극 제작 시, 입자 간 거리는 최종 전극의 전기적/전기화학적 특성에 큰 영향을 미친다. 블렌딩과 같은 단순 혼합법(왼쪽 그림)에 의한 전극제작법이나 물에서의 정전기 인력기반 층상자기조립법(가운데 그림)의 경우 입자 표면의 절연성 유기 리간드와 고분자 링커에 의해 입자 사이의 거리가 멀고 결과적으로 전자의 이동에 제한이 따른다. 반면, 리간드교환 층상자기조립법(오른쪽 그림)의 경우 절연성 고분자 리간드가 제거되고 그 자리에 단분자 리간드가 위치함으로써 입자 간격을 최소화하는 결합이 유지되기 때문에 높은 전기 전도도를 구현할 수 있다.

(그림2) 대면적화가 가능한 직물소재 기반 전극 제작

본 전극제작법을 통해 대면적의 종이(전통한지)(왼쪽)나 천(cotton)(오른쪽)과 같은 직물소재에 금속의 전도성을 구현할 수 있다. 특히 이렇게 제작된 전극은 직물이 갖은 고유한 기계적 특성을 그대로 발현할 수 있기 때문에 다양한 스트레스 하에서도 전기적 특성을 유지할 수 있다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)