최근 웨어러블 전자기기의 고도화에 따라 소형화되고 유연한 에너지 저장장치에 대한 수요가 급증하고 있는 가운데, 모교 박재영 교수(전자공학과) 연구팀은 유연성과 통기성, 고성능을 동시에 실현한 마이크로 슈퍼커패시터용 전극 기술을 개발했다.

박재영 교수(좌), 아사두박사(우)

기존의 마이크로 슈퍼커패시터는 부피가 크고, 딱딱한 전극과 제한적인 설계로 인해 웨어러블 기기와의 호환성에 한계를 보였다. 이에 연구팀은 전기방사 기술을 활용해 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 나노섬유 매트에 MXene(멕신) 나노소재를 복합화하고, CO₂ 레이저를 이용한 열처리 공정을 통해 3차원 다공성 탄소 구조와 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자가 동시에 생성되는 새로운 방식의 자유형 유연전극을 개발하였다.

이 공정은 별도의 고온 열처리 없이도 나노섬유 내부에 전도성 네트워크를 형성하고, 동시에 기공 구조 및 기능성 나노입자를 도입함으로써 전기화학적 성능을 대폭 향상시켰다. 또한, 플라즈마 처리를 통해 표면 친수성을 강화하여 전해질과의 접촉을 극대화하였다.

연구팀이 개발한 전극은 탁월한 기계적 유연성과 통기성(48 mg/cm²/h)을 유지하면서도, 우수한 에너지 밀도(9.81 µWh/cm²)와 높은 정전용량(약 79.2 mF/cm²)을 나타내었다. 특히, 10,000회 이상의 충·방전 사이클 후에도 97% 이상의 성능을 유지하여 상용화 가능성 또한 입증하였다.

실제 실험에서는 마이크로 슈퍼커패시터 3개를 직렬로 연결해 LED 조명을 2분 이상 구동하는 데 성공했으며, 이는 해당 기술이 실제 웨어러블 전자기기의 전원으로 적용될 수 있음을 보여준다.

박재영 교수는 “이번 연구는 에너지 저장장치의 유연성, 안정성, 고성능이라는 세 가지 요소를 동시에 만족시킨 사례로, 향후 웨어러블 전자기기, 스마트 센서, 사물인터넷 플랫폼 등 다양한 분야에 실용화될 수 있는 가능성을 보여준다”고 밝혔다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원사업(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발) 으로 수행되었고, 연구 결과는 에너지 저장 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어(Elsevier) 출판의 카본 (Carbon, IF: 11.6) 논문에 게재되었다. 1저자인 아사두 박사는 2025년 4월부터 방글라데시 중등 및 고등 교육국 특별임무 담당관로 재직하고 있다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622325003975

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)