공주대 임진형 교수팀, 자가충전형 고성능 슈퍼캐퍼시터 개발

공주대학교는 최근 신소재공학부 임진형(사진) 교수 연구팀이 전도성고분자·금속 킬레이트·산화그래핀 복합소재의 원천 기술을 개발해 자가충전 기능과 에너지 저장 특성을 지닌 다기능성 슈퍼캐퍼시터를 개발했다고 6일 밝혔다.

임 교수팀은 유-무기 복합소재를 유연한 기재에 통합하는 기술을 개발, 자가 충전형 슈퍼캐퍼시터를 디바이스 설계기술과 통합했다.

이는 기존의 자가충전형 바이오-슈퍼캐퍼시터와는 달리 신체에서 발생하는 땀을 보조 전해질로 활용해 충전되는 에너지 저장 특성을 갖는다.

슈퍼커패시터는 축전용량이 큰 에너지 저장매체로 화학반응을 이용하는 2차 전지와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전 현상을 이용한다. 급속 충·방전이 가능하고 반영구적인 사이클 수명을 보유해 미래의 모바일 기기 저장장치로 활용될 수 있다.

연구팀이 개발한 Poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT)/Copper Chelate/Graphene Oxide (GO)로 구성된 복합소재는 비공유 기능 기화 (Non-covalent functionalization)의 접근을 통한 분자 수준의 복합화를 통해 제조됐다.

다양한 디바이스 적용 실험을 거쳐 우수성을 확인했고, 웨어러블 기기의 주요 요구사항인 적절한 생체적합성도 띄고 있다.

연구결과 제조된 복합소재는 유연한 기질 표면에 독립적으로 설계된 소자를 형성해 외부의 충격을 흡수, 장기간의 안정성을 확보했다.


아울러 수 mm의 굴곡반경으로 구부려도 초기 정전용량의 90%를 유지하는 형태 적합성과 5만 회 충·방전 시험에도 초기 정전용량의 80% 이상을 유지했다. 또 해당 소재의 에너지 저장 특성은 기존의 땀을 매개로 하는 효소기반형 바이오-슈퍼캐퍼시터보다 1000배 이상의 에너지 밀도를 보였다.

논문의 교신저자 임 교수는 "인체에서 발생하는 땀을 비효소적인 경로로 활용하는 자가 충전형 및 인체부착형 에너지 저장장치의 개발은 지속 가능한 에너지 활용 기술의 일환이다. 탁월한 유연성·전기적·장기신뢰 특성을 고려할 때 산업적으로 활용 가치가 매우 크다"며 "생체적합성과 고효율의 슈퍼캐패시터 특성을 고려할 때, 차세대 웨어러블 헬스케어 산업의 다양한 분야에 응용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, Wiley 출판사가 발행하는 자연과학 분야의 국제 학술지 'Advanced Science'(Impact factor: 17.521) 9권 25호 표지 논문으로 게재됐다. 논문명은 'Design and Testing of Autonomous Chargeable and Wearable Sweat/Ionic Liquid-Based Supercapacitors'다.

또한 임 교수팀은 지난 5월 이 기술에 대한 특허(출원번호: 10-2022-0054790)를 출원했다.