[뉴스프리존,진주=정병기 기자] 국립 경남과학기술대학교(총장 김남경) 에너지공학과 안건형 교수와 성균관대학교(총장 신동렬) 물리학과 차승남 교수팀이 차세대 섬유 기반의 에너지 자립화(발생&저장) 기술 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

연구 결과는 첨단 에너지 소재 분야의 세계적 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’(IF=24.8, 2020. 01. 21 게재) 및 첨단 기능성 소재 분야의 세계적 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF=15.6, 2020. 01. 29 게재)에 연속해서 표지논문으로 게재됐다.

모든 것이 연결되는 초연결 시대의 4차 산업혁명이 진행됨에 따라 정형화된 형태의 디바이스 틀을 탈피하고 각각의 전자기기가 하나로 연결되는 형태가 요구되고 있다. 이에 따라 활용도 제약이 없는 디자인을 실현할 수 있는 섬유 기반의 전자기기 기술이 주목받고 있다.

섬유에 에너지를 저장하기 위해 대표적으로 적용된 기술인 슈퍼커패시터(supercapacitor)는 현재 주로 이용되는 리튬이온 배터리보다 출력 밀도가 높고 수명이 길며 충·방전 속도가 빠르다는 장점이 있어 순간적인 고출력 에너지가 필요한 신재생에너지 발전소와 전기자동차 등에 적용되고 있다.

그러나 현재 활성탄소 등을 전극 소재로 이용하는 기존의 슈퍼커패시터는 에너지 저장용량 발전에 한계가 있어 새로운 소재 및 디바이스 모색이 필요한 상황이다.

이에 따라 이번에 신규 개발한 기술은 전류가 제어된 전기 도금법을 이용하여 얇은 2차원 나노구조를 탄소섬유 표면에 증착을 진행하고, 이를 아연-이온 슈퍼커패시터의 전극으로 이용하여 기존보다 많은 에너지를 저장하는 데 성공하였다. (25 μWh cm−2 at 50 μW cm−2) 특히 접고, 뒤틀고, 꼬아도 99%의 에너지 저장 유지성능을 보였으며, 물속에서도 작동하는 방수성능을 확보하였다. (논문명: 2D Metal Zn Nano structure Electrodes for High-Performance Zn Ion Super capacitors, Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1902981, Front Cover)

또한, 섬유 기반 전자기기의 또 다른 중요한 관심사는 충전기, 보조배터리 등 외부로부터 전력을 공급받는 것이 아니라 에너지 자립화 시스템(에너지 발전&저장 일체화)을 구축하여 사용 기능에 대해 지속성을 향상하는 것이 요구되고 있다.

따라서 충전기를 사용하지 않고 지속적인 전력 공급을 위해서 대표적으로 마찰전기 발전기 (triboelectric nano generators (TENG))에 대한 연구가 진행되었으며, 이를 통해 발전한 전기에너지를 저장하기 위하여 슈퍼커패시터와 결합하는 마찰전기 발전기·슈퍼커패시터 결합 디바이스에 대한 연구가 대표적으로 진행되어왔다. 하지만 이는 마찰 발전기에서 생성된 교류 전기를 슈퍼커패시터에 충전을 위한 직류 전기로 바꿔야 하는 정류기 및 외부회로가 필요하다는 단점이 있다.

반면에 이번 기술은 정류기 및 외부회로가 필요 없이 마찰발전 전기를 이용하여 슈퍼커패시터 전해질 내부의 전하를 유도하는 과정을 최초로 규명하였다. 이 과정을 통해 충전기가 필요 없이 자체적으로 에너지가 충전이 가능한 섬유형 슈퍼커패시터를 성공적으로 개발하였다. 접고, 뒤틀고, 꼬아도 99%의 에너지 저장 유지성능을 보였으며, 물속에서도 작동하는 방수성능을 확보하였다. (논문명: Hybrid Smart Fiber with Spontaneous Self-Charging Mechanism for Sustainable Wearable Electronics, Advanced Functional Materials, 2020, 1908479, Front Cover)

경남과기대 에너지공학과 안건형 교수는 “이번 연구는 4차 산업혁명에서 요구하는 미래형 웨어러블 에너지 저장 장치에 있어 반드시 해결해야 할 핵심 기술을 개발한 것이다”며 “인체 부착형 전자기기 및 지능형 로봇 등 차세대 산업 분야에 다양하게 적용할 수 있는 원천기술이고 연속적인 후속 연구를 적극적으로 수행할 계획”이라고 말했다.

성균관대학교 물리학과 차승남 교수는 “이번 연구는 섬유 기반의 에너지 발생 및 저장의 새로운 핵심 기술을 제안하는 것으로서, 급격히 증가하는 모바일 및 웨어러블 기기의 사용이 증가하고 있어 그 중요성과 향후 활용이 더욱 기대되는 기술”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업 및 생애 첫 연구 등의 지원으로 수행됐다.