섬유형태의 고성능 슈퍼커패시터 개발

슈퍼커패시터란 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용할 수 있는 에너지 저장장치로 급속 충·방전이 가능하고 높은 효율과 반영구적인 수명을 갖고 있다. 또한 유연하고 가벼운 섬유형태의 고성능 슈퍼커패시터는 착용 가능한 전자 직물, 이식 가능한 의료장치, 마이크로 로봇에 응용될 수 있기 때문에 개발 관련 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 한양대학교 생체공학과 김선정 교수팀이 이번에 개발한 섬유형태의 고성능 슈퍼커패시터는 액체 및 고체전해질에서 안정적인 특성을 가지며, 강하면서도 뛰어난 유연성을 갖고 있어 휴대용 전자, 직물로써의 응용 가능성이 매우 클 것으로 기대되고 있다.

 

현재까지 개발된 섬유형태의 슈퍼커패시터는 solution-spun CNT/polymer fiber, dry-spun CNT fiber가 있고, 이는 산화-환원 커패시터에 비해 낮은 에너지 저장 능력을 보였다. 높은 에너지 및 출력밀도를 갖는 슈퍼커패시터를 제작하기 위해서는 물질 내부에 micro-, meso-, macro- 크기의 다양한 기공을 갖는 hierarchical 구조가 유리 할 뿐만 아니라, 높은 전기전도성을 지니고 있어야 하고, non-Faradaic과 Faradaic 과정을 통한 이온의 충·방전이 이루어져야 한다. 기존에는 소형 슈퍼커패시터를 제조하기 위해 얇은 필름을 나노튜브 안으로 말아 넣거나 마이크로 패턴을 새겨 넣는 식각방식과 같이 경제성이 떨어지거나 큰 기기에 활용하기 어려운 방법이 이용됐다. 금속산화물 등을 이용하는 산화-환원 커패시터는 출력밀도가 낮음에도 불구하고 에너지 저장밀도가 높아 고출력밀도를 갖는 탄소 기반의 전기 이중층 커패시터와 융합하려는 연구가 활발히 진행돼 왔다. 따라서, 전도성이 우수한 탄소나노튜브, 그래핀 등 카본계열의 물질(EDL Capacitor)과 우수한 에너지 저장능력을 지닌 금속산화물 또는 전도성 고분자를 적절히 디자인하는 것이 재료 연구의 중요 과제로 꼽히고 있다. 이러한 점을 바탕으로 연구팀은 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 나선 모양으로 꼬은 커패시터(직경: 20 마이크로미터)와 집전장치의 역할을 하는 금속와이어(직경: 25 마이크로 미터)를 서로 꼬아 섬유형 슈퍼커패시터를 개발했다. 잘 정렬된 고밀도 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 시트(Sheet) 위에 전도성고분자 (Poly3,4-ethylenedioxythiophene, PEDOT)를 기상중합(Vapour Phase Polymerization, VPP) 기법을 사용하여 얇고 균일하게 코팅하여 하이브리드 나노 멤브레인을 제조하고, 이것을 꼬아 기계적 강도가 우수하고, 가볍고, 휴대 가능한 실 형태의 20마이크로미터의 직경을 갖는 슈퍼커패시터를 제작했다. 탄소나노튜브 시트를 나선형으로 꼬은 섬유형태의 경우, 섬유내부의 다공성 구조 덕분에 전해질 내의 이온들과 접촉하는 단위표면적이 넓어져 높은 에너지 저장밀도를 갖는다. 또한, 이온이 원활히 이동할 수 있는 다양한 크기의 공간이 존재하여 충·방전 속도 또한 빠르다. 실제 액체 및 고체 전해질 내에서 각각 25 V/s, 5 V/s 의 매우 빠른 충·방전 속도에서도 우수한 커패시터 성능을 유지하였다. 전체 전극 시스템 부피로 성능을 정량 비교하였을 때, 평균 출력밀도가 ~40 W/㎤으로, 이것은 상업적인 25mF 슈퍼커패시터보다 4배 이상 큰 값이다. 에너지 밀도는 (~1.4 mWh/㎤) 상업적인 마이크로 슈퍼커패시터보다 2배 이상 큰 값이고, 500 μAh 리튬 thin film배터리보다 1000배 이상 향상된 값이다. 이러한 우수한 성능은 탄소나노튜브 시트를 나선형으로 꼬은 섬유 내부에 존재하는 다공성 구조에의해 전해질 내의 이온들이 원활히 이동할 수 있는 경로를 제공하여 빠른 충·방전을 가능하게 함으로써 나타났다. 개발된 슈퍼커패시터는 최근에 보고된 양파모양의 탄소전극이나 활성탄소 축전용량과 비교한 결과 축전용량이 최소 6배 이상(~10 F/㎤) 우수한 것으로 나타났다.