"축전용량 6배 우수" 탄소나노튜브 슈퍼커패시터 개발

왼쪽부터 섬유형태의 단일 슈퍼커패시터, 슈퍼커패시터를 서로 꼬은 구조, 32 가닥 탄소나노튜브 섬유로 만든 브레이드 구조.

아주경제 이한선 기자= 미래창조과학부는 한양대학교 생체공학과 김선정 교수팀이 전도성 고분자를 코팅한 탄소나노튜브를 실처럼 꼬아 만든 슈퍼커패시터를 개발했다고 9일 밝혔다.

연구결과는 네이처 커뮤니케이션지 온라인판 4일자에 게재했다.

슈퍼커패시터는 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용할 수 있는 에너지 저장장치로 급속 충·방전이 가능하고 높은 효율과 반영구적인 수명을 갖고 있다.

이번 기술 개발로 유연하고 가벼운 섬유형태로 에너지 저장밀도를 높여 마이크로 로봇이나 이식용 의료장치와 같은 소형기기 뿐만 아니라 착용 가능한 전자직물 등에 에너지저장장치로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

기존에는 소형 슈퍼커패시터를 제조하기 위해 얇은 필름을 나노튜브 안으로 말아 넣거나 마이크로 패턴을 새겨 넣는 식각방식과 같이 경제성이 떨어지거나 큰 기기에 활용하기 어려운 방법이 이용됐다.

금속산화물 등을 이용하는 산화-환원 커패시터는 출력밀도가 낮지만 에너지 저장밀도가 높아 높은 출력밀도를 갖는 탄소 기반의 전기 이중층 커패시터와 융합하려는 연구가 활발하다.

연구팀은 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 나선 모양으로 꼬은 직경 20마이크로미터의 커패시터와 집전장치의 역할을 하는 직경 25마이크로미터 금속와이어를 꼬아 섬유형 슈퍼커패시터를 개발했다.

개발된 슈퍼커패시터는 최근에 보고된 양파모양의 탄소전극이나 활성탄소 축전용량과 비교한 결과 축전용량이 최소 6배 이상 우수한 것으로 나타났다.

탄소나노튜브 시트를 나선형으로 꼬은 섬유형태는 내부의 다공성 구조 덕분에 전해질 내의 이온들과 접촉하는 단위표면적이 넓어져 높은 에너지 저장밀도를 갖는다.

이온이 원활히 이동할 수 있는 다양한 크기의 공간이 있어 충·방전 속도도 빠르다.

실제 액체 및 고체 전해질 내에서 각각 25V/s, 5V/s의 빠른 충·방전속도에서도 우수한 커패시터 성능을 유지했다.

개발된 슈퍼커패시터는 섬유 길이 방향으로 스케일 향상이 가능하고 공기중에 오랜 시간 동안 노출되거나 구부린 상태에서도 성능이 저하되지 않는 것이 특징이다.

김 교수는 “이번에 개발한 고성능 섬유형태 슈퍼커패시터는 엑추에이터 및 에너지 저장 등으로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.