얇은 실에 금속을 입혀 슈퍼커패시터 만들었다

고려대-DGIST, 직물형 고성능 슈퍼커패시터 개발
천연 실에 구리·니켈·코발트 나노입자 차례로 코팅

전기가 통하지 않는 천연 면섬유에 비귀금속 구리 나노입자를 입힌 뒤 니켈과 코발트를 전기도금방법으로 균일하게 코팅해 고성능 슈퍼커패시터를 만들었다. 고려대 제공

[파이낸셜뉴스] 고려대 화공생명공학과 조진한 교수가 대구경북과학기술원(DGIST) 고용민 박사와 함께 천연 면섬유에 저렴한 금속의 나노입자를 코팅해 고성능 슈퍼커패시터를 개발했다. 연구진이 개발한 슈퍼커패시터는 현재까지 보고된 실 형태의 다른 커패시터보다 충전용량이 2.4배 많다.

조진한 교수는 2일 "구리 같은 비귀금속 나노입자를 이용해 전극 제작의 경제성을 확보했으며, 제작공정도 간단해 대면적화, 대량화가 가능하다"고 말했다.

슈퍼커패시터는 에너지 저장장치의 일종으로 배터리에 비해 에너지 밀도는 낮지만, 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율과 반영구적인 수명을 갖고 있다. 면 종류의 직물 소재는 쉽게 구할 수 있는 값싼 소재로 잘 휘어지면서 쉽게 끊어지지 않는 특징이 있다.

연구진은 물질간 친화력을 이용한 리간드 치환 층상자기조립법이라는 독특한 적층 방법으로 실 위에 균일하게 코팅했다.

먼저 가격 경쟁력이 우수한 구리로 전도성 나노입자를 활용했다. 가느다란 실에 8나노미터(㎚) 크기의 구리 나노입자를 고르게 코팅했다. 그 다음, 여러분야에 사용하는 전기 도금법으로 전기가 잘 흐르는 금속 직물을 단시간 내에 제작했다. 이후 충전용량이 큰 니켈과 코발트를 차례로 전기도금해 최종적으로 고성능 슈퍼커패시터를 만들었다.

연구진은 "이러한 직물 전극은 높은 전기전도성을 유지함과 동시에 각 물질 간의 화학적 결합력을 이용한 코팅으로 높은 기계적 안정성을 보인다"고 설명했다. 또한, "직물 소재의 다공성 구조를 막지 않는 균일한 코팅으로 인해 단위 면적당 축전용량 값을 크게 향상시켰다"고 덧붙였다.

이렇게 만든 직물형 슈퍼커패시터는 충전용량 값이 전류밀도 10 ㎃㎠에서 12.2 F㎠로 나왔다.

이는 기존 방법으로 만든 직물형 슈퍼커패시터와 비교해 보면 단위 면적당 충전용량 값이 최대 10배 이상 증가한 것이다.

특히, 전극의 다공성 구조로 인해 3겹까지 쌓았음에도 불구하고 원활한 이온과 전자 이동으로 단위 면적당 축전용량 값이 약 2.4배 증가했다.

연구진은 이번 연구결과를 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 9월 26일 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자