제주대학교(총장 송석언)는 메카트로닉스 공학과 김상재 교수 연구팀(제1저자: 케이 카티케얀 박사 박사)이 압전체와 초고용량 축전지를 접목해 스스로 발전하고 동시에 저장하는 자체축전 슈퍼커패시터 전력소자를 제작하고, 전하분포 모니터링 실험 및 분석 기법을 개발했다고 11일 밝혔다.

이번 연구는 외부의 전원 없이 기계적인 움직임만을 활용한 압전구동 전기화학 에너지변환 프로세스의 시각화가 가능한 압전화학분광법 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다.

핵심은 SCSPC에 기계적인 힘이 가해질 때 발생하는 전극간의 전하분포와 움직임을 시각화해 자체충전 메커니즘을 이해 할 수 있도록 한 것이다.

가로, 세로 2cm의 SCSPC는 전극으로 실록신시트와 이오노겔로 코팅된 유기ㆍ무기 압전분리막을 구성해 소자 외부에서 누르는 힘 등의 변형에 의한 기계적인 에너지수확과 전극간의 전기화학적 전하저장이 동시에 가능한 에너지변환 기능을 확보한다.

이번 연구는 실록신 전극의 전극전위와 전해질 이온농도를 관련시키는 Nernst 이론을 이용해 전극간의 압전전기화학반응에 의한 자체충전메커니즘을 처음으로 설명했다. 

연구팀에 따르면 고에너지밀도와 고전력밀도의 고용량 에너지 저장장치의 성능향상을 위한 연구가 활발하다. 그 가운데 전극간의 전기화학반응 기구를 해명하기 위한 외력의 변화에 따른 전극간의 전하분포를 정밀하게 모니터링 하는 것이 중요한 화두다.

이에 연구팀은 이번 연구에서 초고용량 축전지에 압전소재를 접목한 방식을 제안하고 이에 기반한 실록신 SCSPC에서 압전구동 전기화학 에너지변환 프로세스의 시각화를 구현했다. 

한편 압전소재의 변형에 고용량의 유연 웨어러블 자체전원 공급시스템의 구현을 위한 자가발전 기능도 포함시켰다. 

실록신 SCSPC는 5.62 mW cm-2의 상응하는 전력 밀도에서 46.97 mJ cm-2의 높은 에너지 밀도를 갖는다. 완전히 충전된 소자는 5 분에 걸쳐 MED(다기능 전자 디스플레이)의 자체구동에 의한 전원의 작동을 확인했다.

연구전극간의 전기화학반응 기구를 해명하기 위한 외력의 변화에 따른 전극간의 전하분포를 모니터링 하는 방법을 제시함으로써 외부의 전원 없이 기계적인 움직임만을 활용한 유연 자체전원공급원 및 이를 활용한 압전화학 분광기법 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구, 기초연구실)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는  '네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 5월 11일 게재됐다.

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