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Research

접거나 구부려도 안정적인 에너지 공급이 가능한 에너지 소자 개발

  • 조회. 372
  • 등록일. 2021.08.19
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 이성원 교수팀, 유연한 에너지 저장 소자 제작 기술 개발

단층 그래핀-금속산화물 이종접합에 따른 물성연구도 함께 진행..관련 연구 및 산업

분야에서의 대표적인 사례로 거듭나

 

[DGIST 이성원 교수(좌)와 연구진들]

 

 DGIST(총장 국양) 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀은 단층 그래핀과 금속산화물 이종접합 물질을 이용해 얇고 유연하면서도 기계적 안정성이 우수한 에너지 저장소자 개발에 성공했다. 개발된 에너지 저장소자는 피부 부착형 웨어러블 기기의 보조 전원으로의 활용이 기대된다.

 원격진료가 각광받으며 웨어러블 소자와 센서 개발에도 많은 관심이 쏠리고 있다. 그러나 웨어러블 소자와 센서를 작동시키는데 필요한 에너지 저장 소자인 슈퍼커패시터의 소형화나 유연화는 아직까지 시작단계에 머물러 있으며, 수퍼커패시터의 형체를 변형시킬 만큼 굽히거나하면 물리적 안정성 확보가 어려워 실용화에 한계가 있다. 대안으로 값싼 필름 형태의 에너지 저장소자가 활발하게 연구되고 있는데, 그 중 그래핀은 우수한 전기적 특성 및 넓은 표면적을 가지고 있어 다양한 연구를 거쳐 수퍼캐패시터에도 활용되고 있다.

 이에 DGIST 이성원 교수팀은 0.1mm 이하의 초박막 형태로 수퍼캐패시터를 제작, 접어서도 사용가능한 정도의 기계적 유연성을 확보했다. 특히 개발한 슈퍼캐패시터는 접어 사용하더라도 펼쳤을 때와 동일한 전기적 특성을 보장하는 장점을 가져, 웨어러블 제품의 에너지 소자로 피부에 부착되더라도 자유로운 움직임 속에서 특성의 변화 없는 안정적인 에너지 공급이 가능하다.

 이번 연구를 통해 개발된 슈퍼캐패시터는 단층 그래핀 위에 금속 산화물을 성장·접합시켜 제작한 것으로, 산업 현장에서의 실질적인 활용이 많지 않던 단층 그래핀을 활용한 대표적인 사례로서의 의미가 크다. 뿐만 아니라, 금속산화물을 다른 물질과 접합시킬 때 나타나는 복잡한 변화에 대해서도 관찰함으로써, 향후 관련 연구 분야 가이드라인으로서의 의미도 함께 지닌다.

 DGIST 신물질과학전공 이성원 교수는 이번 연구를 통해 완성한 수퍼캐패시터는 총 두께 30μm(마이크로미터), 단위 면적당 저장용량 7.76mF/cm2, 1000번의 충전과 방전을 시행하여도 거의 동일한 저장용량을 보장해, 물성이 변하지 않는 장점을 갖고 있다여러 장점이 많은 슈퍼캐패시터지만 현재 다른 상용 배터리보다 다소 낮은 총 에너지 저장용량을 해결하기 위해 추가적인 연구를 계속해나갈 예정이다고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 난다나팔리(Nandanapalli) 박사 후 연구원 등이 참여했고, 에너지 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)’624() 온라인 게재됐다.

 

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연구결과개요 

 

Multifunctional Metal-oxide Integrated Monolayer Graphene Heterostructures for Planar, Flexible, and Skin-mountable Device Applications

Devika Mudusu, Koteeswara Reddy Nandanapalli, Geon Dae Moon, Sungwon Lee

(Nano Energy, on-line published on 24th June 2021)

 

1차원 물질인 금속 산화물 나노 구조체와 2차원 물질인 그래핀을 이종 접합한 연구는 독특한 성질을 보이기 때문에 최근 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 다루기 힘든 모노레이어 그래핀위에 나노구조체를 정확하게 컨트롤하는 것은 매우 어려운 과정이고 키우는 과정에 대한 근본적인 연구도 거의 없었다. 본 연구에서는 그래핀 모노레이어 위에 p type 물질인 코발트 옥사이드와 n type 물질인 징크 옥사이드 물질을 정교하게 성장 시키면서 그 과정을 분석하고 물성의 변화를 정밀하게 관찰하였다. 또한 결과물을 이용하여 피부에 붙일 수 있는 여러 가지 소자를 제작하여 전자 및 에너지소자에 응용할 수 있는 가능성을 보여주었다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

 모노레이어 그래핀위에 금속 산화물을 성장시키면서 생기는 물성의 변화를 정밀하게 관측하여 소자 제작에 필요한 여러 가지 정보를 제공함.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

꿈의 물질이라 불리는 그래핀의 실제 사용되고 있는 산업분야는 거의 없고 연구 분야에 머물러 있다. 그 이유는 다른 물질과 접합하면서 성질이 복잡하게 변화하는데 본 연구는 그 중 금속산화물과 이종접합을 할 때 생기는 변화에 대한 정보를 밝혀 관련 연구에 가이드라인을 제시해 준다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

어떤 소자를 제작하느냐에 따라 다르겠지만 대략 3~5년 이상의 시간이 필요할거라 생각합니다. 이유는 대면적 모노레이어 그래핀의 제작 및 소자제작 공정이 아직 연구단계 수준이기 때문입니다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

우연히 고품질의 모노레이어 그래핀을 얻게되어 저희 연구실에서 주로 사용하는 유연전자소자 플랫폼에 이용하기 위해 연구를 하던 중 기초연구가 거의 되어 있지 않아 본 연구를 시작하였습니다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

모노레이어 그래핀에 대한 연구는 정말 많이 있지만 실제 전자 소자는 모노레이어 자체만으로 사용되지 않는다. 다른 물질과의 계면이 생기면서 여러 가지 물성 변화가 생기고 이는 소자 성능에 큰 영향을 미치게 되는데 이에 대한 연구는 그리 많지 않다. 본 연구를 통해 금속 산화물을 성장시킬 때 생기는 변화에 대해 알리고 또한 관련 연구가 좀더 활발해질 수 있는 계기가 될수 있을거라 생각한다 .

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.

 

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그림 설명

[그림 1] 모노레이어 그래핀위에 금속산화물 성장시켜 소자제작

준비된 전극으로 금을 증착하고 바로위에 그래핀 모노레이어를 전사시킨다. 이후 화학성장법을 이용하여 원하는 금속 산화물을 원하는 시간만큼 성장시키며 물성을 측정한다.

 


[그림 2] 그래핀 에너지 소자의 성능 데이터


그래핀 모노레이어와 금속 산화물을 이용한 마이크로 수퍼캐패시터 성능. 천번 반복적으로 구부린 후 저장용량 커브 비교 평가 및 광반응성 측정
 
 
 
 

 
콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135