'전자피부'시대 성큼, 머리카락보다 가는 저장장치 개발

DGIST 신물질과학전공 이성원 교수팀

DGIST 신물질과학전공 이성원 교수(왼쪽)와 난다나팔리 박사 후 연구원

[대구=뉴시스] 나호용 기자 = 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀이 물리적인 힘에도 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 초박막 에너지 저장장치를 개발했다.

기존보다 더 얇고 유연하며 우수한 기계적 안정성도 갖추고 있어, 전자 피부와 같은 다양한 웨어러블 기기와 함께 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

원격진료사회가 가까워지며 웨어러블 소자 및 센서 개발이 주목 받고 있다. 웨어러블 소자와 센서를 작동시키는데 필요한 에너지를 저장하는 소자인 슈퍼커패시터를 작고 유연하게 만들어 물리적인 힘에도 안정적인 작동을 보장하게끔 개발하는 연구는 아직 시작단계인 것이 현실이다.

이성원 교수 연구팀은 기존의 딱딱한 배터리 대신 슈퍼커패시터를 0.1㎜ 이하의 초박막 형태로 제작하는데 성공했다. 이는 머리카락보다 가는 굵기다. 종이처럼 접어도 안정적인 에너지 공급이 가능할만큼의 기계적 유연성을 갖추고 있기 때문에 웨어러블 소자와 함께 피부에 붙여 보조 에너지 공급원으로 이용하는 것이 가능하다.

연구팀이 완성한 슈퍼커패시터는 총 두께 23㎛, 단위 면적당 저장용량 7.91밀리패럿(mF/cm2)이다.

이는 40㎛인 머리카락의 절반에 해당하는 굵기이며, 1000번의 충전과 방전에도 처음과 거의 동일한 저장용량을 보여 기존의 배터리보다 물리적으로 매우 유연하면서도 반복되는 충·방전에도 물성이 변하지 않는 장점을 지닌다. 

이 교수 연구팀은 스프레이 용액공정으로 그래핀 잉크를 도포해 활성 전극으로 활용하는 대량 생산 방식을 적용했다. 잉크를 수직으로 분사하는 기존의 스프레이 공정 대신 45도 각도로 분사하는 스프레이 공정을 진행, 대비 단위 면적당 30%이상 더 높은 에너지 저장 효율 확보에 성공했다.

 수직 분사 공정 중 중력에 의해 스프레이 입자가 눌려 에너지 효율이 낮아지는 문제점을 간단하게 해결한 것이다.

이성원 교수는 “기존의 배터리나 슈퍼커패시터에 비해 얇고, 피부처럼 굴곡진 표면에서도 강한 접착력과 내구성을 보장하는 슈퍼커패시터를 개발했다”며 “아직 기존 배터리와 비교하면 총 에너지 저장용량이 다소 낮아 관련 연구를 계속해서 진행할 예정”이라고 밝혔다.

이 연구에는 DGIST 신물질과학전공 윤영훈 석사졸업생과 난다나팔리 박사 후 연구원 등이 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지' 9월7일 온라인판에 게재됐다.


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