벌집 그래핀으로 늘어나는 '슈퍼 전지' 개발

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국내 연구진이 '꿈의 소재'로 불리는 그래핀을 이용해 늘어나는 고출력 배터리를 개발했다. 웨어러블 기기가 수요가 급증하는 시대에 신개념 에너지 저장 소자로 활용이 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권)은 손정곤 광전하이브리드연구센터 박사팀이 이종휘 중앙대 교수팀, 차국헌 서울대 교수팀과 공동으로 그래핀을 이용한 신축(stretchable) 슈퍼커패시터 소자를 제작했다고 14일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 일반 이온전지와 달리 이온 전하·전자의 물리적 흡·탈착을 이용해 충·방전하는 전지 시스템이다. 순간 출력이 높고, 순환 안정성이 우수하며, 신속한 충·방전이 가능하다.

그래핀은 우수한 전기전도도와 유연성, 높은 비표면적을 갖는 소재다. 배터리 전극의 이상적인 소재지만 자체 신축성이 없다. 이 때문에 신축성 에너지 저장소자를 위해서는 신축성 기판에 전극을 덧붙였다. 빈틈 없이 그래핀을 붙여야 하기 때문에, 비표면적 감소·성능 저하를 불러왔다.

신축성 슈퍼커패시터 공정 모식도
<신축성 슈퍼커패시터 공정 모식도>

연구팀은 아코디언이나 접은 종이에서 안쪽으로 굽은 구조가 신축성을 확보할 수 있음에 주목했다. 얼음 결정을 형판으로 벌집 모양 그래핀 구조체를 제작했다. 이를 김밥처럼 말아 전 방향에 압축 공정을 가했다. 구조체는 전 방향으로 신축 가능했다.

탄소나노튜브(CNT)를 소량 섞어 그래핀 사이에 삽입했다. CNT가 구조체의 스프링 역할을 수행하면서 비표면적을 늘렸다. 이렇게 하면 그래핀 구조체를 100% 이상 두 방향으로 늘려도 전기전도도가 변하지 않는다.

이렇게 개발한 그래핀 구조체, 젤 전해질 기반으로 신축성, 우수한 비표면적·전기전도도를 지닌 슈퍼커패시터를 제작했다. 압축 공정과 수직 방향 기공을 갖는다. 신축 슈퍼커패시터 중 중량당 세계 최고 성능을 확보했다.

손정곤 KIST 박사
<손정곤 KIST 박사>

손정곤 박사는 “신축성 그래핀 나노구조체는 슈퍼커패시터뿐만 아니라 다양한 에너지 저장 전극으로 사용 가능하다”면서 “웨어러블, 신체 부착형 소자 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것”이라고 강조했다.

연구 성과는 국제 과학전문지 '나노스케일'에 실렸다. 과학기술정보통신부 글로벌프론티어 연구개발 사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램으로 수행됐다.

송준영기자 songjy@etnews.com