[에너지코리아 3월] 최근 가볍고 소형화된 웨어러블 디바이스와 고기능화 IoT 기기의 수요가 증가함에 따라 새롭게 전원을 수집하고 저장할 기술의 개발이 요구되고 있다. 다양한 에너지저장소자 기술에 관련한 연구들도 매우 활발히 진행되고 있다. 이 가운데 에너 지기술연구원, KAIST, 부산대, 난양공대 연구진들이 자유롭게 탈부착이 가능한 스티커형 이차전지기술을 개발을 주목을 받고 있다. 글ㅣ박선호

한국에너지기술연구원 ( 김종남 원장 ) 분리변 환소재연구실 윤하나 박사는 KAIST 기계공 학과 ( 김영진 교수 ), 부산대 광메카트로닉스공학과 ( 김승철 교수 ) 와 공동으로 ‘고팽창 그래핀 전극 기반의 자유롭게 탈부착 가능한 스티커형 마이크로 수퍼커패시터 기술’ 을 개발 , 이 기술은 화학공학 분야의 세계적인 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’ 에 게재됐다 .

마이크로 수퍼커패시터 (micro-supercapacitor, MSC) 는 얇은 판상의 초소형 수퍼커패시터 . 기존의 리튬박막전지에 비하여 안정성이 뛰어나고 , 높은 출력 및 우수한 부피당 에너지밀도 결과를 보이고 있어 최근 큰 기대를 모으고 있는 초소형 고성능 에너지 저장소자를 말한다 .

기존 리튬박막전지형 디바이스용 에너지저장소자 단점 많아

최근 가볍고 소형화된 웨어러블 디바이스 및 고기능화 IoT 기기의 수요가 증가함에 따라 새로운 전원 수집 / 저장 / 관리 기술이 요구되고 있다 . 또한 , 광범위한 분야에서 웨어러블 디바이스 및 IoT 기기가 적용되고 있어 , 전원 공급 외에 추가적인 기능성을 가진 에너지저장소자 기술에 관한 연구들이 매우 활발히 진행되고 있다 .

인체의 변형에 따라 , 유연한 변형이 요구되는 웨어러블 디바이스 에너지저장소자는 디자인의 유연성 , 안전성을 가지며 장시간 작동이 가능해야 한다 .

그러나 기존 배터리의 형태는 원통형 , 각형 , 파우치형 등으로 구조의 유연성이 부족하고 에너지 저장용량 집적화에 한계가 있어 차세대 웨어러블 디바 이스나 고집적화가 필요한 마이크로 소자 등 초소형 기기에 적용하는데 한계가 있어 왔다 .

기존에는 웨어러블 디바이스용 에너지저장소자로 리튬박막전지 개발이 활발히 이루어지고 있으나 , 리튬박막전지는 마이크로미터 두께의 얇은 필름형 태로 집적시킨 박막형태의 리튬전지로 리튬을 포함 하는 특성상 선천적 위험성을 내포하고 있으며 , 사이클 수명이 낮다는 단점을 갖고 있다 .

마이크로 수퍼커패시터 , 초소형 고성능 에너지저장소자로 큰 기대

최근 리튬이온전지를 대체할 차세대 에너지저장 장치로 마이크로 수퍼커패시터가 많은 관심을 받고 있다 . 기존의 수퍼커패시터는 높은 출력밀도 ( 리튬이온 전지의 약 10 배 ) 와 안정성 , 충 · 방전 효율 , 반영구적이며 빠른 충방전 사이클 특성 등의 장점이 있으나 , 무게당 에너지밀도가 리튬이온전지의 1/10 수준으로 낮아서 현재까지는 제한적인 응용분야에만 사용되어왔다 .

마이크로 수퍼커패시터의 경우에 리튬박막전지에 비해 훨씬 높은 출력 특성을 보일 뿐만 아니라 , 부피 당 에너지밀도 또한 리튬박막전지와 비등한 수준 또는 더 우수한 결과를 보이고 있어 초소형 고성능 에너지저장소자로 큰 기대를 모으고 있다 .

국내 연구진 , 스티커형태 마이크로 수퍼커패시터 개발 성공

이번 연구진은 극초단 레이저 공정 기술을 응용 하여 웨어러블 디바이스에 적용 가능한 구조적 유연 성을 가지면서도 어떠한 물체나 표면 등 원하는 곳에 자유롭게 탈부착이 가능한 스티커 형태의 마이크로 수퍼커패시터를 개발하는데 성공했다 .

극초단 레이저는 순간적으로 최대 출력을 발생시킬 수 있기 때문에 고팽창의 특수한 그래핀 전극을 제작할 수 있다 . 여기에 접착 특성을 가지는 고분자 기재를 고팽창 그래핀 내부에 함침시켜 접착성을 유지하면서도 우수한 전극 성능과 내구성이 확보된 스티커 형태의 마이크로 수퍼커패시터 소자를 제작할수 있다 .

또한 홍합 모방 표면 개질을 통하여 스티커형 마 이크로 수퍼커패시터의 표면에 도파민이라는 레독스 활성화 분자를 도입하였다 . 이를 통해 기존의 리튬박막전지 수준의 부피당 에너지 밀도를 가지며 부피당 출력 밀도는 13 배 이상 높은 우수한 성능의 스티커형 에너지저장소자를 개발할 수 있었다 .

논문 교신저자인 한국에너지기술연구원 윤하나 박사는 “스티커형 마이크로 수퍼커패시터는 차세대 웨어러블 디바이스나 IoT 기기 등에 쉽게 탈부착이 가능할 뿐만 아니라 , 친환경적 배터리 기술로서 기존의 리튬 기반의 에너지 저장소자 기술의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대한다” 고 밝혔다 .

공동연구진인 KAIST 김영진 교수는 “본 연구에서 개발된 패터닝 기술은 극초단 레이저 펄스를 통해 빠른 공정시간 내에 재료의 탈락을 최소화하면서 효율적으로 그래핀의 형성을 실현한 것으로 , 레이저 - 유도 -그래핀의 다양한 산업적 적용을 촉진시킬 것으로 기대된다” 라고 전했다 .

이번 연구는 국내 및 해외 특허출원이 완료된 상태이며 한국에너지기술연구원 , KAIST, 부산대 , 난양공대 공동연구팀은 차세대 에너지저장소재 및 소자 기술의 선도그룹으로서 후속 연구를 활발하게 진행 중이다 .