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낙엽을 활용한 친환경 마이크로 슈퍼커패시터 개발
우리 대학 기계공학과 김영진 교수 연구팀과 한국에너지기술연구원(이하 에너지연, 원장 김종남) 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구팀이 공동연구를 통해, 극초단 펨토초 레이저 직접 묘화 기술을 기반으로, 세계최초 낙엽 상 그래핀-무기-하이브리드 마이크로 슈퍼커패시터 제작에 성공했다고 13일 밝혔다.
웨어러블 전자 장치의 발전은 유연한 에너지 저장장치의 혁신에 직접적으로 영향을 받는다. 다양한 에너지 저장장치 중 마이크로 슈퍼커패시터의 경우 높은 전력 밀도, 긴 수명 및 짧은 충전 시간으로 큰 관심을 끌고 있다. 그러나, 증대되는 전자 전기 제품의 소비 및 사용, IT 모바일 기기의 첨단화에 따른 짧은 교체 주기에 따라 폐전지의 발생량이 증대하고 있다. 이는 폐전지의 수거, 재활용 및 처리 과정에 있어, 안정성 및 환경적인 이슈 등의 많은 어려움을 유발한다.
산림은 전 세계 육지의 30% 가량을 덮고 있으며, 산림에서는 엄청난 양의 낙엽이 배출된다. 이러한 바이오매스는 자연적으로 풍부하고, 생분해성이며 재생 가능한 매력적인 친환경 재료다. 그러나 이를 효과적으로 활용하지 못하고 방치하면 화재 위험, 식수원 오염 등 산림 재해가 발생할 수 있다.
연구팀은 두 가지 문제점을 동시에 해결할 방법으로 친환경의 생분해성 바이오매스인 낙엽 위에 추가 재료 없이 펨토초 레이저 펄스를 조사해, 대기 중에서 특별한 처리 없이 단일 단계로 높은 전기 전도성을 지닌 미세 전극인 3D 다공성 그래핀을 생성하는 기술을 개발했다. 또한 이를 활용해 유연한 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하는 방안을 제시했다. 연구팀은 해당 연구를 통해 낙엽으로부터 쉽고 저렴하며 빠르게 다공성 그래핀-무기결정 하이브리드 전극을 제작할 수 있음을 보였으며, 제작된 그래핀 마이크로 슈퍼커패시터를 LED 발광을 위한 전원 공급 및 온, 습도계 타이머/카운터 기능의 전자시계 전원 공급을 테스트함으로써 성능을 검증했다. 이는 저가의 녹색 그래핀 기반 유연한 전자 제품의 대량 생산을 위한 길을 열 수 있음을 의미한다. (그림1)
연구 논문의 교신저자인 우리 대학 김영진 교수는 개발된 차세대 에너지 저장 소자에 대해 "현재 감당이 어려운 산림 바이오매스인 낙엽을 차세대 에너지 저장 소자로 재사용함으로써, 폐자원의 재사용 및 에너지 선순환 시스템 확립을 가능하게 한다ˮ라고 했다. 또한 공동 교신저자인 에너지연 윤하나 박사는 "이번 기술은 친환경 산업의 기술 혁신 및 고부가가치 신재생에너지 및 이차전지 사업으로써의 신시장 창출뿐 아니라 국가의 사회적, 경제적 비용을 크게 감소시킬 수 있을 것이며, 더 나아가 웨어러블 전자 제품 및 스마트 홈이나 사물 인터넷에도 적용될 것으로 기대된다ˮ라고 말했다.
이번 연구는 한국농림축산식품부의 기획평가원 지원사업과 산림청의 산림과학기술 연구개발사업 및 한국에너지기술연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.
기계공학과 레딘츤손 박사 후 연구원과 에너지연 이영아 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 및 융합연구분야의 세계적인 학술지인 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'(Advanced Functional Materials)에 작년 12월 5일 온라인 공개됐다. (논문명 : Green Flexible Graphene–Inorganic-Hybrid Micro-Supercapacitors Made of Fallen Leaves Enabled by Ultrafast Laser Pulses)
2022.01.13 조회수 10328 -
양민양 교수, 고성능 필름형 차세대 전지 개발
〈 이 재 학 박사과정, 양 민 양 교수 〉
우리 대학 기계공학과 양민양 교수 연구팀이 고성능의 필름형 차세대 전지(슈퍼커패시터)를 저렴하고 간단한 방법으로 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 기존의 복잡한 제작과정과 낮은 성능 등의 단점을 갖는 필름형 슈퍼커패시터를 대체할 수 있는 기술을 개발했다. 이는 새로운 고성능 소자구조를 단일공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료 및 소자 제조 원천기술이다.
이재학 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료, 화학분야의 국제 학술지 영국왕립화학회의 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’ 12월 21일자 표지논문에 선정됐다.
슈퍼커패시터는 기존의 리튬이온배터리와 비교해 월등하게 빠른 충전 속도와 반영구적 수명을 가져 차세대 에너지 저장소자로 각광받고 있다.
무엇보다 유연한 기판에 제조되는 필름형 슈퍼커패시터는 웨어러블 및 유연 전자소자의 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있기 때문에 차세대 유연 전자소자의 핵심 전력소자이다.
기존에는 유연한 필름 위에 높은 표면적의 금속 전극을 형성하기 위해 포토리소그래피, 진공증착 등의 반도체 공정을 이용했다. 또한 금속전극의 표면적 향상을 위해 추가적으로 고가의 설비와 2단계의 유독한 화학 공정이 필요했다.
연구팀은 보다 빠르고 저렴하며 간단한 방법인 레이저 성장 소결 공정 기술을 개발했다. 이는 나노미터 단위의 기공을 갖는 초다공성 은(銀) 전극을 제조하는 기술로 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는 데 성공했다.
레이저만을 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에 내부에 다공성 나노구조를 생성해 10단계 이상 소요되던 세부 제조 과정을 1단계로 간소화했다.
연구팀은 기존 금속 나노 용액과 비교해 매우 저렴한 무입자 유기금속이온 화합물 용액을 사용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결 원리를 규명했다.
연구팀은 일반적인 단일물질 대칭구조의 슈퍼커패시터 전극과 달리 이종(異種)의 금속산화물(이산화망간과 산화철)을 각각 양극과 음극으로 비대칭 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다.
이를 통해 전력 보유량을 극대화해 고용량 에너지 저장소자를 개발했고, 4초 내 초고속 충전이 가능하고 5천 번 이상의 내구성 테스트에서 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.
양 교수는 “이번 연구 결과는 향후 웨어러블 및 유연 전자기기 기판에 포함돼 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소자로 사용 가능하다”며 “전원까지 포함하는 진정한 의미의 완전한 유연 전자기기의 현실화에 더 가까워졌다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 표지 이미지
그림2. 제조된 필름형 슈퍼커패시터와 그 성능
그림3. 레이저 성장 소결 메카니즘
그림4. 레이저 조사조건에 따른 은 전극 형상 변화
2018.01.11 조회수 14913