고려대학교 세종캠퍼스(부총장 김영) 안준성 교수(전자기계융합공학과) 연구팀이 차세대 웨어러블 전자기기를 위한 혁신적인 에너지 저장 솔루션인 섬유형 슈퍼커패시터(Fiber Supercapacitors, FSs)를 개발했다. 

이는 지난 3월 발표된 ‘스마트 섬유용 금속/세라믹 나노리본 얀 제조 기술 세계 최초 개발’에 대한 후속 연구로 △한국원자력연구원 정용록 박사 △KAIST 기계공학과 박인규 교수 △KAIST 신소재공학과 김상욱 교수 △한국기계연구원 정준호 박사와 공동으로 진행되었다.

△ (왼쪽부터) 고려대학교 세종캠퍼스 전자·기계융합공학과 안준성 교수, KAIST 신소재공학과 Suchithra Padmajan Sasikala 연구 부교수, 한국원자력연구원 정용록 박사, 

한국기계연구원 정준호 박사, KAIST 신소재공학과 김상욱 교수, KAIST 기계공학과 박인규 교수.

연구팀은 전이 금속 산화물(Transition Metal Oxides, TMOs) 기반의 나노리본 섬유(Nanoribbon yarn)을 활용하여 기존 화학적 증착 방식의 한계를 극복한 물리적 증착 방식을 통해 초고성능 슈퍼커패시터를 구현했다.

 

해당 연구 결과와 관련된 논문은 신소재/섬유 분야 세계 1위 국제 학술지인 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼즈(Advanced Fiber Materials, Impact Factor 17.2, JCR 1.7%, JIF Rank 1/29 at Materials Sciences-Textiles)’의 2024년 7월 온라인판에 게재되었다. 논문에는 △고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수 △KAIST 신소재공학과 Suchithra Padmajan Sasikala 연구 부교수 △한국원자력연구원 정용록 박사가 공동 제1 저자로 참여했다.

 

섬유형 슈퍼커패시터는 유연성과 경량성으로 인해 웨어러블 전자기기의 효율적인 에너지 저장 솔루션으로 주목받고 있으며, 헬스케어, 환경 모니터링, 군수산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 잠재력을 갖추고 있다.

 

기존의 섬유형 슈퍼커패시터는 주로 전기 이중층 커패시터(Electric Double-Layer Capacitor, EDLC) 소재로 구성되며 탄소나노튜브(CNT) 섬유 또는 그래핀 섬유(GF)와 같은 고도의 전기 전도성을 갖는 소재가 사용되어왔다. 그러나 이러한 소재는 전기화학적 활성도가 제한적이고 에너지 밀도가 낮다는 한계를 지닌다. 따라서 최근에는 슈도커패시터(pseudocapacitor) 특성을 가지는 소재를 포함시켜 섬유형 슈퍼커패시터를 제작하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

전이 금속 산화물은 대표적인 슈도커패시터 특성을 갖는 물질로 높은 에너지 밀도, 높은 정전 용량 및 빠른 산화환원 반응 특성을 나타낸다. 그러나 현재까지 개발된 전이 금속 산화물 기반 슈퍼커패시터 제조 방법은 화학적 증착에 의존하여 바람직하지 않은 물질 구조를 초래하고 슈도커패시터 소재 고정을 위한 접착제를 필요로 하기 때문에 전기화학적 성능을 극대화하지 못한다는 치명적인 한계점이 존재한다.

△ 초고성능 웨어러블 섬유형 슈퍼커패시터 제조 및 응용 개략도

 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 나노패턴된 전이 금속 산화물/금속/전이 금속 산화물 삼중층 배열의 나노리본 어레이 탈착 공정을 통해 물리적으로 증착된 전이금속 산화물 나노리본 섬유를 개발했다. 나노몰드를 이용해 전이 금속 산화물 및 금속 물질을 증착한 후, 선택적 산소 플라즈마 식각 공정을 통해 나노리본을 공중 부양시키면 섬유 구조를 대면적으로 확보할 수 있다. 이를 통해 니켈 전극 위에 전이 금속 산화물을 접착제 없이 직접 증착할 수 있으며, 이는 높은 에너지/파워 밀도와 우수한 전기화학적 안정성을 확보할 수 있는 핵심 기술이다.

 

또한 연구팀은 전이 금속 산화물 나노리본 섬유와 그래핀 섬유를 결합한 비대칭 슈퍼커패시터를 개발했다. 이는 현재까지 개발된 섬유형 슈퍼캐패시터 중 가장 우수한 특성을 나타내며 세계 최고의 웨어러블 에너지 저장 소자로서의 가능성을 보여주었다.

추가적으로, 연구팀은 이전 연구를 기반으로 한 섬유형 마찰전기 나노발전기로 인체의 움직임에서 전기 에너지를 수확하고 이를 섬유형 슈퍼커패시터에 저장하여 웨어러블 압력 센서 및 유연 발광 다이오드(LED)를 구동할 수 있음을 보여주었다. 이러한 섬유형 에너지 수확/저장/구동 시스템은 세계 최초로 공개된 것이며, 이는 미래의 스마트 의류 구현에 크게 기여할 것으로 기대된다.

 

연구를 주도한 안준성 교수는 "이번 연구는 금속과 전이 금속 산화물을 기반으로 한 나노리본 섬유를 통해 높은 전기화학적 성능과 기계적 유연성을 동시에 달성할 수 있음을 보여줬다"며 "이는 기존의 유기물 기반 스마트 섬유 소재의 한계를 뛰어넘는 획기적인 진전"이라고 설명했다.

 

또한, 연구를 지도한 박인규 교수, 김상욱 교수, 정준호 박사는 "이는 나노구조체 제작 기술의 새로운 장을 열었고, 스마트 의류 기술의 글로벌 리더십을 확보하는 데 중요한 기반이 될 것이다“라며 ”향후 고성능 에너지 저장 소자뿐만 아니라 다양한 전자 소자 제작에도 활용될 수 있어, 스마트 의류뿐만 아니라 사물인터넷(IoT), 웨어러블 전자기기 등의 발전에 중요한 기여를 할 것이다“라고 덧붙였다.

 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업(2021R1A2C3008742), 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단(2015R1A3A2033061), 중소벤처기업부의 산학연 collabo R&D 사업(RS-2024-00428937), 산업통상자원부 나노광소자 패터닝용 30nm급 인라인 UV 나노임프린터 개발과제(20018235)의 지원을 받아 수행됐다.