접거나 구부려도 안정적인 에너지 공급이 가능한 에너지 소자 개발
접거나 구부려도 안정적인 에너지 공급이 가능한 에너지 소자 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.08.19 23:19
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DGIST(총장 국양) 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀은 단층 그래핀과 금속산화물 이종접합 물질을 이용해 얇고 유연하면서도 기계적 안정성이 우수한 에너지 저장소자 개발에 성공했습니다. 개발된 에너지 저장소자는 피부 부착형 웨어러블 기기의 보조 전원으로의 활용이 기대되는데요.

 

원격진료가 각광받으며 웨어러블 소자와 센서 개발에도 많은 관심이 쏠리고 있습니다. 그러나 웨어러블 소자와 센서를 작동시키는데 필요한 에너지 저장 소자인 슈퍼커패시터의 소형화나 유연화는 아직까지 시작단계에 머물러 있습니다. 그리고 수퍼커패시터의 형체를 변형시킬 만큼 굽히거나하면 물리적 안정성 확보가 어려워 실용화에 한계가 있습니다. 대안으로 값싼 필름 형태의 에너지 저장소자가 활발하게 연구되고 있는데, 그 중 그래핀은 우수한 전기적 특성 및 넓은 표면적을 가지고 있어 다양한 연구를 거쳐 수퍼캐패시터*에도 활용 가능합니다.

*슈퍼커패시터(Super Capacitor): 전하 혹은 전기에너지를 저장하는 ‘커패시터(축전기)’의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화해 전지의 목적으로 사용하도록 한 부품.

 

이에 DGIST 이성원 교수팀은 0.1mm 이하의 초박막 형태로 수퍼캐패시터를 제작, 접어서도 사용가능한 정도의 기계적 유연성을 확보했습니다. 특히 개발한 슈퍼캐패시터는 접어 사용하더라도 펼쳤을 때와 동일한 전기적 특성을 보장하는 장점을 가져, 웨어러블 제품의 에너지 소자로 피부에 부착되더라도 자유로운 움직임 속에서 특성의 변화 없는 안정적인 에너지 공급이 가능한데요. 

 

이번 연구를 통해 개발된 슈퍼캐패시터는 단층 그래핀 위에 금속 산화물을 성장·접합시켜 제작한 것으로, 산업 현장에서의 실질적인 활용이 많지 않던 단층 그래핀을 활용한 대표적인 사례로서의 의미가 큽니다. 뿐만 아니라, 금속산화물을 다른 물질과 접합시킬 때 나타나는 복잡한 변화에 대해서도 관찰함으로써, 향후 관련 연구 분야 가이드라인으로서의 의미도 함께 지닙니다.

모노레이어 그래핀위에 금속산화물 성장시켜 소자제작. 준비된 전극으로 금을 증착하고 바로위에 그래핀 모노레이어를 전사시킨다. 이후 화학성장법을 이용하여 원하는 금속 산화물을 원하는 시간만큼 성장시키며 물성을 측정한다. 출처 : DGIST
모노레이어 그래핀위에 금속산화물 성장시켜 소자제작. 준비된 전극으로 금을 증착하고 바로위에 그래핀 모노레이어를 전사시킨다. 이후 화학성장법을 이용하여 원하는 금속 산화물을 원하는 시간만큼 성장시키며 물성을 측정한다. 출처 : DGIST

DGIST 신물질과학전공 이성원 교수는 “이번 연구를 통해 완성한 수퍼캐패시터는 총 두께 30μm(마이크로미터), 단위 면적당 저장용량  7.76mF/cm2로, 1000번의 충전과 방전을 시행하여도 거의 동일한 저장용량을 보장해, 물성이 변하지 않는 장점을 갖고 있다”며 “여러 장점이 많은 슈퍼캐패시터지만 현재 다른 상용 배터리보다 다소 낮은 총 에너지 저장용량을 해결하기 위해 추가적인 연구를 계속해나갈 예정이다”고 밝혔습니다. 

 

이번 연구는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 6월 24일(목) 온라인 게재됐습니다.

논문명 : Multifunctional Metal-oxide Integrated Monolayer Graphene Heterostructures for Planar, Flexible, and Skin-mountable Device Applications


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