전자피부에 쓸 머리카락보다 얇은 '슈퍼축전기' 韓연구진 개발

DGIST 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀, ‘초박막 슈퍼커패시터’ 개발…간단하고 값싼 스프레이 공정 활용

개발된 마이크로 슈퍼커패시터/사진=DGIST

얇은 전자피부에 적용할만한 초박막 에너지 저장장치를 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀이 개발했다고 23일 밝혔다.

이는 물리적 힘에도 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 기계적 안전성을 갖춰 다양한 웨어러블(착용형) 기기 등에 활용될 전망이다.

웨어러블 소자·센서를 작동하는데 필요한 에너지는 슈퍼커패시터(축전기)에 저장해 쓴다.

연구팀은 기존에 딱딱한 배터리 대신 슈퍼커패시터를 머리카락 두께보다 얇은 0.1밀리미터(mm) 이하의 초박막 형태로 제작했다.

종이처럼 접어도 안정적인 에너지 공급이 가능할 만큼 기계적 유연성을 갖춰 웨어러블 소자와 함께 피부에 붙여 보조 에너지 공급원으로 이용하는 것이 가능하다.

연구팀에 따르면 이번에 완성한 슈퍼커패시터는 총 두께 23마이크로미터(μm), 단위 면적당 저장용량 7.91밀리패럿(mF/cm²)을 가진다. 이는 약 40마이크로미터(μm)인 머리카락의 절반에 해당하는 두께다.

1000번의 충·방전에도 처음과 거의 동일한 저장용량을 보인다. 반복된 충·방전에도 물성이 변하지 않는 장점을 지녔다.


또 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 효율을 확보했다.

이는 수직 분사 공정 중 중력에 의해 스프레이 입자가 눌려 에너지 효율이 낮아지는 문제점을 간단하게 해결한 것이다.

이 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.

이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘나노 에너지’ 온라인판에 게재됐다.