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| 성균관대 박호석 교수팀, 접거나 구부려도 성능이 떨어지지 않는 축전지 개발 |
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| 1/10 크기에 자유자재로 구부릴 수 있는 신개념 에너지 저장장치 개발 |
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아이애드피알 
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| ▲ 제조된 그래핀 에어로젤의 주사전자현미경(좌상) 및 투과전자현미경 이미지(우상). 그래핀 에어로젤 전극 기반의 슈퍼커패시터(좌하) 및 측정결과(우하). (사진제공=한국연구재단) © 아이애드피알 | | 국내 연구진이 수용성 고분자(폴리비닐알콜)와 그래핀을 접목해 자유자재로 압축하고 복원할 수 있는 내구성이 뛰어난 전극 소재를 처음으로 개발하였다. 또한 이 전극소재를 이용해 부피가 1/10로 줄어든 극한 상황에서도 효율적으로 에너지를 공급할 수 있는 신기능성 축전지를 구현하는데 성공하였다.
폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)은 물에 녹을 수 있는 고분자로, 주사슬에 하이드록실기가 결합되어 있다. 필름 형성, 에멀전, 접착 특성이 뛰어나고, 기름이나 윤활유에 안정하며, 우수한 유연성을 지니고 있다.
그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 그래핀은 잘 휘고 방열이 뛰어나며 전기전도성이 높아 응용분야가 무궁무진한 소재로 꿈의 신소재라고 불린다.
성균관대 박호석 교수와 미국 MIT 징 콩(Jing Kong) 교수 연구팀이 공동으로 참여한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구네트워크지원사업 등의 지원으로 수행되었다.
연구결과는 재료분야 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’에 게재 승인되었고, 연구의 중요성과 시급성을 인정받아 Back cover 논문(논문명 : Reversibly compressible, highly elastic, and durable graphene aerogels for energy storage devices under limiting conditions)으로 사전에 출판되었다.
이번 연구결과로 기존의 에너지 저장장치의 부피와 무게의 한계로 개발할 수 없었던 ▲전기자동차 ▲모바일기기 ▲우주선 등에 크기는 작으면서 자유자재로 구부릴 수 있는 에너지 저장장치로 활용할 수 있게 되었다.
또한 소비자의 다양한 요구(needs)에 맞춰 자유롭게 디자인할 수 있는 신기능성 에너지 저장소자로도 활용될 수 있어, 기존의 에너지 저장 시장뿐만 아니라 향후 플렉서블웨어러블 전자산업과 같은 신시장 창출로 정부의 ‘창조경제’ 구현에도 일조할 것으로 기대된다.
최근 에너지 저장 분야에서는 용량이 커서 많은 에너지를 제공할 수 있는 전극 소재(다공성 나노구조체화된 전극 소재) 개발에 전념하고 있다. 그러나 용량이 제한되거나 극한 상황에서도 에너지를 공급하려면 소자를 압축해야 하는데, 이 때 전극 구조가 무너지면서 성능이 저하되는 단점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 연구팀은 초다공성(ultrahigh porosity)초압축성(ultrahigh compressibility)초내구성(ultrahigh durability)을 갖는 그래핀 기반의 전극소재를 개발하였고, 이를 통해 접거나 구부려도 에너지 공급 성능이 저하되지 않는 내구성이 탁월한 신기능성 축전지를 구현하는데 성공하였다.
박호석 교수 연구팀은 벽을 타고 올라간 담쟁이넝쿨과 같은 형태로 폴리비닐알콜을 물리적으로 네트워킹한 그래핀을 화학적으로 결합시켜 그래핀 에어로젤을 만들었다. 도입된 폴리비닐알콜은 마치 엉킨 실과 같은 형태로 인접한 그래핀들을 강하게 묶어, 결과적으로 높은 다공도를 유지하면서도 기계적 물성이 크게 향상된 그래핀 에어로젤을 제조할 수 있었다.
또한 도입된 폴리비닐알콜은 외부 압력에도 그래핀 에어로젤 기공들이 뭉치거나 무너지는 것을 방지하여 그래핀 에어로젤이 우수한 기공특성과 낮은 밀도를 갖도록 도와주었다.
에어로젤(aerogel)이란 나노다공성 소재로 인류가 발명한 가장 가벼운 고체이다. 에어로젤은 90-99.8%가 공기로 이루어져 있고, 100nm(나노미터) 보다 작은 기공들이 3차원적 그물망 모양의 다공성 구조로 구성되어 있다.
기공특성과 기계적 물성이 향상된 그래핀 에어로젤은 슈퍼커패시터용 전극소재로도 응용되었다. 부피를 1/10로 줄여도 무게 당 에너지 저장 능력은 그대로여서, 체적 당 에너지 저장 능력은 10배 이상 향상되었고, 1,000회 이상 반복적인 부피변화 조건에도 성능은 그대로였다.
슈퍼커패시터(supercapacitor)는 전극과 전해질의 계면에서의 전기화학적 반응에 의해서 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자로써, 리튬이차전지에 비해서 높은 출력, 빠른 충·방전 속도 및 장기안정성의 장점을 가지고 있다.
박호석 교수는 “제한된 조건(공간, 무게)에서 안정적․효율적으로 에너지를 저장하거나 공급할 수 있는 신개념 전극을 개발하여 에너지 저장 소재 분야에서 또 다른 응용 가능성을 열었을 뿐만 아니라, 새로운 시장과 고용 창출의 가능성을 제시하였다”고 연구의의를 밝혔다.
/ 아이애드피알 인터넷부 엄재성 A.E. news@iadpr.net
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| 기사입력: 2015/02/02 [17:00] 최종편집: ⓒ iadpr.net |
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