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전자 피부, 플렉시블(Flexible) 휴대폰 등 개념이 제시되고 관련 연구가 지속적으로 추진됨에 따라 플렉시블 전자 시스템의 중요한 구성 부분으로서 신형(예를 들면 플렉시블 특성, 인장 가능한 특성, 휘어질 수 있는 특성 등) 에너지 저장 및 공급 유닛은 과학자들의 높은 중시를 받고 있는 상황이다. 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도 및 높은 순환 안정성을 보유한 가볍고 얇은 신형 에너지 저장 디바이스(예를 들면 박막 슈퍼 커패시터(super capacitor)) 개발은 당면 중대 과제로 부상한 상황이다.

현재 과학자들은 플렉시블 인장 가능한 슈퍼 커패시터 연구 분야에서 이미 부분적인 성과를 취득한 상황이다. 하지만 지금까지 개발된 플렉시블 인장 가능한 슈퍼 커패시터 성능은 관련 기술 수요를 충족시키지 못하고 있는 상황이다. 전기화학 성능이 우수하고, 인장 성능이 >100% 수준에 도달하는 슈퍼 커패시터를 개발하는데 있어서 인장 가능한 복합 전극, 인장에 견디는 복합 인터페이스 및 통합된 디바이스 구조를 개발하는 과제가 핵심 과제로 되고 있다.

중국과학원 물리 연구소 산하 ‘베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음)’ 소속 ‘선진 재료 및 구조 분석 실험실’의 ‘나노 재료 및 메조스코픽 물리학(Mesoscopic physics)’ 연구팀은 최근 탄소 나노 구조 개발, 물질 특성 및 응용 기초연구를 실행하여 거시적 탄소 나노 구조 및 복합 재료 개발, 성능 및 응용에 대한 탐색 분야에서 다양한 혁신 성과들을 취득하였다(Nano Lett. 2011, 11, 4636; Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1440; Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 8726; Adv. Funct. Mater. 2012, 22: 5238; Adv. Mater. 2013, 25, 1058, Sci. Rep. 2013, 3, 3048).

연구팀은 관련 연구개발 성과를 기반으로 최근 거시적 탄소 나노 구조 복합 인터페이스 디자인 및 인장 가능하고 접을 수 있는 슈퍼 커패시터 응용 및 탐색 연구를 실행하였으며 관련 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.

우선, 연구팀은 탄소 나노튜브 베이스 복합 재료의 인터페이스 구조, 형성 메커니즘과 특성에 대한 연구를 실행하였으며 인터페이스 멀티 사이즈 커플링 효과가 성능에 끼치는 영향에 대한 탐색 작업을 실행하고 탄소 나노튜브의 우수한 역학, 전자학 특성이 거시적 사이즈 탄소 나노 복합 시스템 상에서의 유지, 전달 및 변화 등 기본 과학과제에 대한 탐색 작업을 실행하였다.

연구팀은 관련 연구를 통해 연속적으로 개발한 SWCNT 등급 분류 네트워크 구조를 보유한 박막이 약 10% 응변 하에서 거시적 사이즈 균열을 발생시키는 문제점을 해결하였으며, 높은 인장 저항(120%~140% 인장 수량) 특성을 보유한 탄소 나노튜브 베이스 복합 박막 전극을 개발하고 전체 고체 상태, 높은 저항 인장, 통합화 및 높은 성능을 보유한 슈퍼 커패시터를 조립하였다.

연구팀이 개발한 박막은 0~120% 왕복 인장 과정에서 안정적인 성능을 유지하고 있기 때문에 휴대하기 편리하고 바이오 호환성이 이상적인 피부형 디바이스 분야에서 밝은 응용전망을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 관련 연구 성과는 Nano Res. 학술지에 발표되었다(Nano Res. (2014, 7, 1680-1690)).

다음, 연구팀은 싱가포르 난양(南洋) 이공(理工) 대학교 재료과학 및 공정대 연구팀과 협력하여 몇 가지 슈도 커패시턴스(pseudocapacitance) 전극 구조를 디자인하였는데 예를 들면 환원 산화 그래핀(rGO)과 셀룰로오스 섬유(cellulose fibers, CFs)의 축적 구조와 나노 구조 복합 전극을 디자인하였으며 다양한 인터페이스에서의 전해질 전송 능력에 대한 탐색 작업을 실행하였다. 연구팀은 일종 그래핀 및 섬유 나노 복합 신 방법을 개발하였으며 그래핀 비표면적(specific surface area)과 전기 전도성을 충분히 이용할 수 있는 그래핀과 섬유 복합구조를 취득하는데 성공하였다.

연구팀은 이런 독특한 마이크로 나노 복합 구조를 스텐실(Stencil)로 이용하여 일종 접을 수 있는 플렉시블 PANI-rGO/CF 등급 분류 구조의 복합 섬유를 개발하였으며 일종 접을 수 있는 플렉시블 전체 고체 상태의 슈퍼 커패시터를 조립하였는데 전기 화학 성능이 효과적으로 향상되고 전극 대비 커패시턴스가 460F/g 수준에 달하는 것으로 나타났으며 커패시터가 180°로 접어질 때 품질 대비 커패시턴스 손실이 5% 수준 밖에 발생하지 않은 것으로 나타났다. 연구팀은 이번 연구를 통해 전체 고체 상태 슈퍼 커패시터로 하여금 휘어지는 동적 과정에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있도록 하는데 성공하였다.

연구팀의 관련 연구 성과는 Adv. Mater. 학술지에 발표되었다(Adv. Mater. (2014, 26, 4855-4862)). 연구팀의 이번 연구는 국가과학기술부, 국가자연과학기금위원회, 중국과학원의 관련 과학연구 비용 지원을 받아 추진되었다.

그림 1. 통합화 인장 가능 SWCNT/PANI 슈퍼 커패시터의 인터페이스 구조 SEM 이미지 및 표시도임.

그림 2. 통합화 인장 가능 SWCNT/PANI 슈퍼 커패시터가 인장이 없는 상태 하에서의 전기화학 측정 곡선임.

그림 3. 타이트(Tight) 타입의 rGO/CF 복합 섬유, 나노 구조 rGO/CF 복합 섬유와 등급 분류 구조 PANI-rGO/CF 복합 섬유의 일반적인 슈퍼 커패시터의 전기화학 측정 결과임. 다양한 PANI 증착 시간 하에서의 등급 분류 구조 PANI-rGO/CF 복합 섬유의 비교 커패시턴스임.


KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-01-07



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