KAIST-에너지연, 新개념 마이크로 슈퍼커패시터 개발

극초단 펨토초 UV 레이저 직접묘화 기반 낙엽 상 그래핀 전극 생성 과정. [사진=KAIST 제공]
극초단 펨토초 UV 레이저 직접묘화 기반 낙엽 상 그래핀 전극 생성 과정. [사진=KAIST 제공]
국내 연구진이 낙엽을 활용한 친환경 전극을 제작했다. 이를 활용한 에너지 저장장치는 LED 전원 공급, 온∙습도계, 전자시계 등에서 성능을 보였다. 저가의 친환경 전자제품 대량생산 길이 열릴 것으로 기대된다.    

KAIST(총장 이광형)는 김영진 기계공학과 교수 연구팀과 윤하나 한국에너지기술연구원 에너지저장연구실 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 밀도와 긴수명, 짧은 충전 시간으로 주목받고 있다. 그러나 증대되는 전자 전기 제품의 소비에 따라 짧은 교체 주기로 인한 폐전지 발생량이 증대하고 있다. 이는 폐전지의 수거, 재활용∙처리 과정에 있어 안정성과 환경적인 이슈 등의 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. 이를 방치할 시 화재 위험, 식수원 오염 등 산림 재해가 발생할 수 있다.

연구팀은 두 가지 문제점을 동시에 해결할 방법으로 낙엽 위에 추가 재료 없이 펨토초 레이저 펄스를 조사, 대기 중 특별한 처리 없이 단일 단계로 높은 전기 전도성을 지닌 미세 전극 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, 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. 

연구 논문의 교신저자인 김영진 교수는 "현재 감당이 어려운 산림 바이오매스인 낙엽을 차세대 에너지 저장 소자로 재사용함으로써, 폐자원의 재사용∙에너지 선순환 시스템 확립을 가능하게 한다"고 말했다. 

공동 교신저자인 윤하나 박사는 "이번 기술은 친환경 산업의 기술 혁신과 고부가가치 신재생에너지∙이차전지 사업으로써의 신시장 창출뿐 아니라 국가의 사회적, 경제적 비용을 크게 감소시킬 수 있을 것"이라며 "더 나아가 웨어러블 전자 제품과 스마트 홈, 사물 인터넷(IoT)에도 적용될 수 있을 것"이라고 기대했다.

레딘츤손 KAIST 기계공학과 박사 후 연구원과 이영아 에너지연 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학∙융합연구분야 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 작년 12월 5일 온라인 공개됐다.

한편 이번 연구는 한국농림축산식품부 기획평가원 지원사업과 산림청 산림과학기술 연구개발사업, 에너지연 주요사업 지원을 받아 수행됐다.

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