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Research

머리카락보다 얇은 초박막 에너지 저장장치 개발

  • 조회. 496
  • 등록일. 2020.09.23
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀, 전자기기 작동에 필요한 에너지를 공급하는 '초박막 슈퍼커패시터' 개발
간단하고 값싼 스프레이 공정 활용... 웨어러블 산업에 활용 기대돼

 

이성원 DGIST 신물질과학전공 교수(좌측)와 난다나팔리(Nandanapalli) DGIST 신물질과학전공 박사 후 연구원(우측)이다.
 
 
 DGIST 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀 물리적인 힘에도 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 초박막 에너지 저장장치를 개발했다. 기존보다 더 얇고 유연하며 우수한 기계적 안정성도 함께 갖추고 있어, 향후 전자 피부와 같은 다양한 웨어러블 기기와 함께 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 원격진료사회가 가까워지며 웨어러블 소자 및 센서 개발이 많은 주목을 받고 있다. 이 때 웨어러블 소자와 센서를 작동시키는데 필요한 에너지를 저장하는 소자인 슈퍼커패시터1)를 작고 유연하게 만들어 물리적인 힘에도 안정적인 작동을 보장하게끔 개발하는 연구는 아직 시작단계에 머물러 있는 것이 현실이다.

 DGIST 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀은 기존에 딱딱한 배터리 대신 슈퍼커패시터를 0.1밀리미터(mm) 이하의 초박막 형태로 제작하는데 성공했다. 이는 머리카락보다 얇은 두께로, 종이처럼 접어도 안정적인 에너지 공급이 가능할 만큼의 기계적 유연성을 갖추고 있기 때문에 웨어러블 소자와 함께 피부에 붙여 보조 에너지 공급원으로 이용하는 것이 가능하다. 

 연구팀이 완성한 슈퍼커패시터는 총 두께 23마이크로미터(μm), 단위 면적당 저장용량 7.91밀리패럿(mF/cm2)을 가진다. 이는 약 40마이크로미터(μm)인 머리카락의 절반에 해당하는 두께이며, 1000번의 충전과 방전에도 처음과 거의 동일한 저장용량을 보여, 기존 배터리보다 물리적으로 매우 유연하면서도 반복되는 충·방전에도 물성이 변하지 않는 장점을 지닌다.  

 또한 이 교수 연구팀은 스프레이 용액공정으로 그래핀 잉크를 도포해 활성 전극으로 활용하는 대량 생산 방식을 적용했다. 이때, 기존에 잉크를 수직으로 분사하던 스프레이 공정 대신 45도 각도로 분사하는 스프레이 공정을 진행, 기존 대비 단위 면적당 30%이상 더 높은 에너지 저장 효율 확보에 성공했다. 이는 수직 분사 공정 중 중력에 의해 스프레이 입자가 눌려 에너지 효율이 낮아지는 문제점을 간단하게 해결한 것이다.

 신물질과학전공 이성원 교수는 “이번 연구를 통해 기존의 배터리나 슈퍼커패시터에 비해 얇고, 피부처럼 굴곡진 표면에서도 강한 접착력과 내구성을 보장하는 슈퍼커패시터를 개발했다”며 “아직 기존 배터리와 비교하면 총 에너지 저장용량이 다소 낮아 관련 연구를 계속해서 진행할 예정”이라고 말했다.

 한편, 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 윤영훈 석사졸업생과 난다나팔리(Nandanapalli) 박사 후 연구원 등이 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 9월 7일(월) 온라인판에 게재됐다.

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1) 슈퍼커패시터(Super Capacitor): 전하 혹은 전기에너지를 저장하는 ‘커패시터(축전기)’의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화해 전지의 목적으로 사용하도록 한 부품.

 

     연구결과개요 

Extremely Flexible and Mechanically Durable Planar Supercapacitors: High Energy Density and Low-cost Power Source for E-skin Electronics

Yeonghun Yuna, Koteeswara Reddy Nandanapallia*, Ji-Hyuk Choib, Changsoon Choic, and Sungwon Leea**
(Nano Energy, IF = 16.602 on-line published on 7th September 2020) 

 

노령화 사회의 접어들면서 원격 진료에 대한 사회적 관심이 무척 늘어난 요즘 몸에 붙여 생체 신호를 측정하는 웨어러블 진료기기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 웨어러블 전자기기는 몸에 장시간 붙어 있어야하기 때문에 움직임에 제약을 주지 말아야 하는데 그러기 위해서는 작고 얇고 가볍게 제작될수록 사용자가 불편함을 적게 느끼게 된다. 하지만 무선으로 동작을 해야 하기 때문에 소형 에너지원의 사용이 불가피한데 현재로서는 기존의 배터리를 사용할 수밖에 없다. 배터리는 기본적으로 딱딱하고 무거우며 부피가 커 앞서 말한 웨어러블 기기와 궁합이 좋지 못하다. 이에 배터리의 소형화도 많이 연구가 되고 있지만 내용물이 몸에 해롭고 구조가 복잡하여 개발이 힘들다. 본 연구에서는 배터리를 대신하여 훨씬 얇고 가볍고 유연하게 슈퍼커패시터를 제작하여 보조 에너지 공급원으로 활용할 수 있는 방법을 제안하였다. 총 두께는 23 마이크론으로 머리카락보다 얇으며 단위 면적당 에너지 저장 효율이 우수하다. 활성 물질은 그래핀 잉크를 사용하였으며 대량생산을 위한 스프레이 공정을 이용하였는데 각도를 최적화하여 저장 효율을 다시 한 번 상승시켰다. 제작된 소자는 마음대로 구부리거나 접을 수 있으며 그 상태에서 정상 작동한다. 또한 1000번을 충전 방전을 반복하여도 저장 용량이 거의 동일하게 유지된다. 아직까지 총 에너지 저장용량이 부족하지만 개발이 진행되면서 이러한 문제점을 보완하여 보조 에너지원이 아닌 주 에너지원으로 사용할 수 있도록 연구를 할 계획이다.

DOI10.1016/j.nanoen.2020.105356

 

     연구성과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 슈퍼커패시터에 비해 비약적으로 두께를 줄여 자유롭게 접거나 피부와같이 굴곡진 표면에 자유롭게 붙일 수 있는 에너지 저장소자를 제작하였습니다. 두꺼운 소자의 경우 구부리면 전기적 특성이 매우 떨어지거나 부서질 수 있는데 이번에 개발된 소자의 경우 저장 특성이 전혀 변하지 않으며 1000회 이상 구부려도 특성이 유지되는 매우 물리적 안정성이 높은 유연 에너지 저장소자를 개발하였습니다. 

 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
1차 목표는 변형이 잘되고 물리적 안정성이 높기 때문에 피부에 붙여 생체 신호를 읽어내는 웨어러블 혹은 전자피부형 소자와 연결하여 외부 케이블 연결 없이 소자를 동작시키는 것이 최종 목표입니다. 

 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
대략 3~5년 정도 시간이 필요할거라 생각합니다. 이유는 단위면적, 부피당 효율은 우수하지만 기존의 배터리와 비교하여 총 에너지 용량이 부족하기 때문에 용량을 올리는 연구와 동시에 동작하는 소자의 에너지 소비량을 줄이는 연구가 동시에 이루어져야 합니다. 

 

Q. 연구를 시작한 계기는?
저희 연구실에서 전자피부형 유연 센서를 많이 제작하는데 안타깝게도 유연 에너지원은 마땅히 사용할 것이 없어 케이블로 유선 연결을 하거나 코인배터리를 사용하는데 이를 해결해보고자 시작하였습니다. 

 

Q. 어떤 의미가 있는가?
사실 연구를 시작할 당시 비약적으로 두께를 줄여서 에너지 저장효율이 너무 떨어지거나 물리적 안정성이 떨어지지 않을까 걱정하였는데 다행히 저희가 생각했던 대로 높은 물리적 안정성과 저장효율을 유지해주어서 이런 방법으로 앞으로 많은 연구가 진행될 수 있는 가능성을 보여주어 다른 연구자들도 유연 에너지 소자에 많은 관심을 갖게 되어 상용화가 앞당겨질 수 있는 계기가 될 거라 생각됩니다. 

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
원격 진료사회가 한발 앞으로 다가오면서 웨어러블 기기에 대한 수요와 기술이 발전이 되고 있는데 이에 저희 연구가 유연 에너지 소자의 연구에 기여되어 많은 연구가 활발히 이루어지고 상용화에 앞장설 수 있는 기술로 사용되길 기대합니다. 

 

     그림 설명 

[그림 1] 마이크로 슈퍼커패시터 제작 방법

 

(그림설명)
준비된 기판위에 마스크를 붙인다. 그 후 금을 증착하고 바로위에 그래핀 잉크를 스프레이 공정으로 올린다. 리튬클로라이드 용액과 PVA 고분자를 섞은 전해질 용액을 도포 후 80도에서 열처리를 해준다. 


[그림 2] 소자의 물리적 안정성 데이터

 

(그림설명)
(a)1만번 반복적으로 구부린 후 저장용량 커브 비교 평가, (b)1만번 구부리며 총 에너지 저장 용량의 변화량 측정, (c)~ (j)다양한 형태로 변형시키며 저장 용량 측정

 

 


 

 

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