서울과학기술대학교(총장 이동훈, 이하 서울과기대) 화공생명공학과 구형준 교수 연구팀(제1저자 최민영 박사과정생, 김지혜 박사)이 한국생산기술연구원 소재부품융합연구부문 소주희 수석연구원과의 공동연구를 통해, 액체금속 전극을 사용하여 신축성을 가지는 직물 기반 슈퍼커패시터를 개발하였다. 

이 연구 결과가 지난 10월 20일(금), 재료과학 부문 최우수 저널인 「Advanced Functional Materials(I.F.: 19.0, JCR Ranking%: 3.18%)」 에 ‘Textile-Based Stretchable Supercapacitors with Liquid Metal Current Collectors’라는 제목으로 온라인 게재되었다.

슈퍼커패시터는 간단한 에너지 저장 메커니즘을 가지고 있어, 급속 충방전 시 높은 전력 공급과 낮은 열 발생이라는 이점으로 주목받고 있다. 

특히 신축성이 있는 슈퍼커패시터는 의류와 같은 유연한 제품에 통합하기 용이하여, 웨어러블 전자기기용 에너지 공급소자로 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 

이러한 신축 슈퍼커패시터는 착용자의 움직임 등과 같은 물리적 변형이 반복되는 상황에서도 안정성을 유지하며 고장이나 기판과의 분리 없이 전기화학적 성능을 유지해야 한다. 

기존 전극의 집전체(current collector) 소재는 단단한 고체 금속으로 구성되어 있어, 웨어러블 기기 전체의 유연성 및 신축성을 제한할 수 있으며 물리적 변형에 대한 내구성이 낮다. 

연구팀은 신축성이 있는 직물 기판에 코팅된 갈륨계 액체 금속을 집전체로, 탄소나노튜브를 활물질로, 이온성 액체 고분자 젤을 전해질로 활용하여 높은 신축성을 가지는 슈퍼커패시터를 개발하였다.
직물에 코팅된 액체 금속 전극은 물리적 변형에도 높은 전기전도도를 안정적으로 유지할 수 있다. 
여러 직물 기판에서 액체 금속과 탄소나노튜브 현탁액의 젖음성과 계면 특성을 비교한 결과, 네오프렌/폴리에스터 직물 기판에 도포된 액체 금속 집전체가 가장 안정적이면서도 높은 성능을 보여주었다.
 이 신축 슈퍼커패시터는 527.8 mF cm-2의 높은 에너지 저장 성능을 보였으며, 최대 200%의 변형률과 1000회의 반복적인 신축에도 불구하고 초기 정전 용량의 90% 이상을 유지하는 높은 기계적 안정성을 보여주었다.
 또한, 직물 기반 신축 슈퍼커패시터는 의류에 용이하게 통합될 수 있으며, 이러한 슈퍼커패시터가 통합된 의류를 착용한 사용자가 활동하는 동안에도 안정적으로 전기 에너지를 공급하여 발광 다이오드 소자의 전원을 유지하였다.

구형준 교수 연구팀이 개발한 액체금속 집전체를 활용한 직물 기반 신축 슈퍼커패시터는 높은 휴대성과 에너지 저장성능을 갖는 웨어러블 에너지 디바이스로 활용될 수 있다. 

또한, 본 연구는 액체금속과 직물 기반을 기반으로 하는 유연, 신축 전극 개발을 위한 유용한 가이드라인을 제시했다. 

해당 연구는 교육부가 지원하는 한국연구재단(NRF), 환경부가 지원하는 한국환경산업기술원(KEITI), 그리고 한국생산기술연구원의 지원을 받아 수행되었다.

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