탄소 섬유 슈퍼커패시터 시작품. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀은 석사과정 이수범 씨가 제1저자로 참여한 논문이 텍스트타일 분야 세계 1위 학술지 '어드밴스드 파이버 머티리얼즈(Advanced Fiber Materials)'(IF 16.1, JCR 상위 2%) 최신호에 게재됐다고 밝혔다.

논문 제목은 '웨어러블 에너지 저장 장치를 위한 탄소 섬유 기반 전극의 인터페이스 엔지니어링 연구(Interface Engineering of Carbon Fiber-Based Electrode for Wearable Energy Storage Devices)'이다.

최근 스마트 웨어러블 기기는 의료 모니터링, 지능형 전자기기, 심장 박동기 등 다양한 응용분야로 인해 크게 주목받고 있다. 그러나 가볍고 유연하며 휴대 가능한 에너지 저장 기술은 웨어러블 기기의 다양화에 반드시 필요한 기술이다.

탄소 섬유 기반의 슈퍼커패시터는 탄소 섬유의 우수한 유연성·실용성·경량성과 상대적으로 높은 출력, 빠른 충·방전 속도 덕분에 스마트 웨어러블 기기의 에너지 저장 해결책으로 떠오르고 있다.

하지만, 탄소 섬유 전극의 낮은 비표면적 특성 및 낮은 전기적 특성은 섬유형 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능을 저하시킨다.

따라서 고용량 에너지 저장을 위해 탄소 섬유 전극에 대한 계면 엔지니어링 기술 개발이 중요하다. 이러한 방법은 전기화학적 능력과 구조적 특성을 개선해 스마트 웨어러블 기기에 사용하기 위한 적합성을 높이는 것을 목표로 한다.

경상국립대 안건형 교수 연구팀은 섬유형 슈퍼커패시터를 위한 다차원 복합 탄소 전극을 개발했다. 탄소 섬유를 기반으로 그래핀과 탄소나노튜브를 계면 물질로, 활성탄소를 주요 활물질로 사용하여 탄소 섬유 슈퍼커패시터의 에너지 저장성능을 692mF/cm2만큼 확보해 기존 탄소 섬유 전극보다 16.6배 향상시켰다.

탄소 섬유 표면에 그래핀을 복합화해 2차원 구조로 인해 탄소 섬유 표면을 고르게 덮음과 동시에 전기 전도도를 높였다. 또한, 그래핀이 코팅된 탄소 섬유 표면에 활성탄소를 바로 도입하면 접촉 면적이 좁아져 에너지 저장 성능이 제한된다.

따라서 그래핀이 코팅된 탄소 섬유 표면 위에 1차원 네트워크 구조를 가지는 탄소나노튜브를 도입해 활성탄소와 탄소섬유와의 접촉 면적을 증가시킴으로써 에너지 저장성능을 향상시켰다.

이번 논문의 제1저자로 참여한 경상국립대 석사과정 이수범 씨는 "웨어러블 기술 분야의 권위 있는 국제학술지에 우리 연구 성과를 게재한 것은 큰 영광이자 기쁨이다. 이러한 성과는 동료들과 지도교수님의 협력과 지도 덕분에 가능했다"며 "웨어러블 에너지 저장 장치라는 흥미진진한 분야에서 혁신적인 솔루션을 만들기 위한 노력을 계속할 것이다"고 말했다.

연구 책임자인 안건형 교수는 "그간 스마트 웨어러블 산업계에서 필요로 하는 섬유형 에너지 저장 시스템이 보유하는 한계점을 극복한 원천기술로서, 이를 토대로 4차 산업혁명에서 요구되는 초연결 에너지 기술의 실현에 기여하고 싶다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행했다.