가격 경쟁력 및 고전도성, 고성능 확보
조진한 교수팀 연구결과 Advanced Science 게재
고려대학교(총장 정진택) 화공생명공학과/KU-KIST 융합대학원 조진한 교수가 DGIST 고용민 박사와 함께 직물 소재에 비귀금속 계열 구리 나노입자의 코팅과 금속 에너지 활물질의 전기도금을 통해 가격 경쟁력을 확보하고 고전도성과 고성능의 직물형 슈퍼커패시터 전극을 개발했다고 28일 밝혔다.
천(cotton)과 같은 직물 소재는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 소재로써 기계적 물성이 우수하며 다공성 구조로 인한 넓은 표면적을 특징으로 가지고 있어 에너지 전극 소재 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 직물 소재는 절연적 성질을 가지고 있어 기존 연구에서는 탄소나노튜브나 금속 나노와이어 등의 물질을 이용해 전도성을 부여하는 시도를 했지만 물질 자체의 낮은 전도성과 물질 간의 수많은 접촉 저항으로 인해 벌크 금속 수준의 전도성을 확보하는데 제한적이었다. 다른 방법 중 하나인 무전해 도금법(electroless plating)의 경우 직물 내부까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하기 어렵고 불순물의 함유로 인해 전도성이 상대적으로 낮다는 한계점이 있다. 위의 방법들은 물질들 간의 상호결합력이 제대로 고려되지 않고 단순히 물리적으로 흡착돼 있는 경우가 많아 반복적인 물리적 변형 하에서 전도성 물질 층에 균열이 가거나 박리되는 문제가 있다.
연구팀은 먼저 가격 경쟁력이 우수한 구리 나노입자를 제조해 전도성 나노입자로 활용했고 이를 리간드 치환 층상자기조립법이라는 독특한 적층 방법을 통해 직물 소재 안쪽까지 균일하게 코팅했다. 이후 범용적으로 사용되는 전기 도금법을 이용해 벌크 금속 수준의 전기전도성을 갖는 금속 직물을 단시간 내에 제작했다. 리간드는 나노입자와 같은 착화합물의 중심원자와 배위결합해 주위를 둘러싸고 있는 분자 혹은 이온을 일컫는다. 단분자 리간드 치환 층상자기조립법은 물질 간 친화력 (정전기적인력, 수소결합, 공유결합 등)의 차이를 이용해 기능성 나노박막을 제작할 수 있는 기술이다. 즉 입자 표면에 결합되어 있는 리간드보다 더 큰 친화도를 갖는 단분자리간드를 이용해 박막을 제작함으로써 입자표면의 리간드가 떨어지고 새로운 단분자리간드가 그 자리에 치환된다.
이렇게 제작된 전도성 직물을 바탕으로 이론적 축전용량 값이 큰 니켈과 코발트의 금속산화물을 추가로 전기 도금해 최종적으로 고성능 슈퍼커패시터 전극을 제작했다. 이러한 직물 전극은 높은 전기전도성을 유지함과 동시에 각 물질 간의 화학적 결합력을 이용한 코팅으로 높은 기계적 안정성을 보였다. 직물 소재의 다공성 구조를 막지 않는 균일한 코팅으로 단위 면적당 축전용량 값도 크게 향상시킬 수 있었다. 기존의 연구에서는 활성층의 두께가 두꺼워지면 내부에서의 전자/전하이동이 원활하지 않아 높은 축전용량 값을 유도하기 힘들었지만 직물 전극의 경우 다공성 구조의 장점으로 인해 같은 전극을 3겹까지 쌓음으로써 단위 면적당 축전용량 값은 약 2.4배 더 증가시킬 수 있었다.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 이공분야기초연구사업의 지원으로 수행됐으며 재료과학과 나노기술 분야의 권위 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 이달 26일자(독일 현지시간 기준) 온라인 게재됐다.
베리타스알파 2022.09.28일자 기사 발췌 | 