경상국립대학교(GNU) 융합기술공과대학 에너지공학과 스마트에너지재료연구실 안건형 교수팀은 석사 과정 이수범 씨가 제1저자로 참여한 논문이 텍스트타일 분야 세계 1위 학술지 '어드밴스드 파이버 머티리얼즈(Advanced Fiber Materials)' 최신호에 게재됐다고 밝혔다.

논문 제목은 '웨어러블 에너지 저장 장치를 위한 탄소 섬유 기반 전극의 인터페이스 엔지니어링 연구(Interface Engineering of Carbon Fiber-Based Electrode for Wearable Energy Storage Devices)'다.

최근 스마트 웨어러블 기기는 의료 모니터링, 지능형 전자기기, 심장 박동기 등 다양한 응용 분야 덕분에 크게 주목받고 있다. 그러나 가볍고 유연하며 휴대할 수 있는 에너지 저장 기술은 웨어러블 기기의 다양화에 반드시 필요한 기술이다.

탄소 섬유 기반의 슈퍼커패시터는 탄소 섬유의 우수한 유연성·실용성·경량성과 상대적으로 높은 출력, 빠른 충·방전 속도 덕분에 스마트 웨어러블 기기의 에너지 저장 해결책으로 떠오르고 있다.

하지만 탄소 섬유 전극의 낮은 비표면적 특성 및 낮은 전기적 특성은 섬유형 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능을 저하시킨다.

따라서 고용량 에너지 저장을 위해 탄소 섬유 전극에 대한 계면 엔지니어링 기술 개발이 중요하다. 이런 방법은 전기 화학적 능력과 구조적 특성을 개선해 스마트 웨어러블 기기에 사용하기 위한 적합성을 높이는 것을 목표로 한다.

경상국립대 안건형 교수 연구팀은 섬유형 슈퍼커패시터를 위한 다차원 복합 탄소 전극을 개발했다. 탄소 섬유를 기반으로 그래핀과 탄소나노튜브를 계면 물질로, 활성탄소를 주요 활물질로 사용해 탄소 섬유 슈퍼커패시터의 에너지 저장 성능을 692mF/cm2만큼 확보, 기존 탄소 섬유 전극보다 16.6배 향상시켰다.

탄소 섬유 표면에 그래핀을 복합화해 2차원 구조로 인해 탄소 섬유 표면을 고르게 덮음과 동시에 전기 전도도를 높였다. 또 그래핀이 코팅된 탄소 섬유 표면에 활성탄소를 바로 도입하면 접촉 면적이 좁아져 에너지 저장 성능이 제한된다.

이에 그래핀이 코팅된 탄소 섬유 표면 위에 1차원 네트워크 구조를 가지는 탄소나노튜브를 도입해 활성탄소와 탄소섬유와의 접촉 면적을 증가시킴으로써 에너지 저장 성능을 향상시켰다.

이번 논문의 제1저자로 참여한 경상국립대 석사과정 이수범 씨는 "웨어러블 기술 분야의 권위 있는 국제 학술지에 우리 연구 성과를 게재한 것은 큰 영광이자 기쁨이다. 이러한 성과는 동료들과 지도 교수님의 협력과 지도 덕분에 가능했다"며 "웨어러블 에너지 저장 장치라는 흥미진진한 분야에서 혁신적인 솔루션을 만들기 위한 노력을 계속할 것"이라고 말했다.

연구 책임자인 안건형 교수는 "그간 스마트 웨어러블 산업계에 필요한 섬유형 에너지 저장 시스템이 보유하는 한계점을 극복한 원천 기술"이라며 "이를 토대로 4차 산업 혁명에서 요구되는 초연결 에너지 기술의 실현에 기여하고 싶다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행했다.