마이크로/나노 주름 구조를 지닌 탄성체 기반 신축성 에너지 저장 전극 개발
조진한 교수팀 연구결과, 해당 분야 권위 학술지 Carbon Energy 게재돼
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 및 KU-KIST융합대학원 조진한 교수 연구팀은 마이크로/나노 주름 구조를 탄성체 전극에 구현하여 높은 에너지 저장 성능과 기계적 안정성을 동시에 지닌 신축성 에너지 저장 전극 개발에 성공했다.
탄성체 소재는 우수한 기계적 물성을 기반으로 다양한 차세대 웨어러블/유연 전자기기 개발을 위해 폭넓게 연구되고 있다. 기존까지는 이러한 탄성체 소재를 활용하여 전극을 제작하기 위해 금속 나노물질, 전도성 고분자, 또는 탄소 나노물질 등과 같은 전도성/활성 물질들을 탄성체 중합 과정 중에 섞어 전극을 제작해왔다. 하지만 이러한 방법들은 인접한 물질 사이에서 발생하는 높은 접촉 저항(contact resistance)과 도입된 물질 본연의 낮은 전기전도성 및 축전용량으로 인해 우수한 성능을 구현하는 데 한계가 있었다.
이에 조진한 교수 연구팀은 유기용매 상에서 탄성체 소재의 팽윤/수축 현상을 이용한 금속 나노입자 조립과 니켈/니켈-코발트 층상이중수산화물(layered double hydroxides) 전기도금 방법을 결합하여 높은 에너지 저장 성능, 우수한 기계적 특성 및 다양한 형태/크기로 적용이 가능한 탄성체 기반 신축성 에너지 저장 전극을 개발했다.
○ 팽윤/수축 현상을 이용한 금속 나노입자 조립을 통해 탄성체 소재에 도금을 위한 전기전도성을 부여할 뿐만 아니라 표면에 마이크로 크기의 주름을 형성할 수 있었고, 이러한 구조를 통해 기계적 변형 하에서 발생하는 응력(stress)을 효과적으로 분산시킬 수 있었다. ○ 제작된 탄성체 전극으로의 니켈 도금을 통해 주름 구조를 온전히 유지하면서도 높은 전기전도성을 구현할 수 있었으며, 높은 축전용량을 지니는 니켈-코발트 층상이중수산화물 도금을 통해 마이크로 주름 위에 나노 구조를 계층적으로 형성하여 높은 에너지 저장 성능을 위한 활성 면적을 더욱 극대화할 수 있었다.
특히, 이러한 기술은 (용액공정을 기반으로) 일반적인 평판 형태를 포함하여 원형, 나선형, 패턴형, 폼형과 같은 다양한 형태를 지닌 탄성체 소재에 크기 관계없이 범용적으로 적용될 수 있는 것으로, 기존에 보고된 주름 구조 기반의 탄성체 전극 제작 방법들과 크게 차별화된다고 할 수 있다. 이를 통해, 제작된 나선형 탄성체 전극은 매우 높은 신축성(~500%)을 보였고, 폼형 탄성체 전극은 평판형 전극에 비해 약 9배 이상 높은 단위 면적당 축전용량을 보였다. 조진한 교수는 “신축성 에너지 저장 전극에서 전기적/에너지 저장 성능과 기계적 안정성이 상충하는 중요한 한계점을 상당히 극복할 수 있는 연구로, 향후 다양한 분야에서의 기술 융복합을 통해 웨어러블/유연 전자기기의 획기적인 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구성과는 재료과학 및 나노과학/기술 분야의 권위 학술지인 카본 에너지(Carbon Energy, IF = 21.556)에 온라인 게재(독일 현지 기준 3월 15일)되었다.
스마트경제 2023.03.16일자 기사 발췌 | 