천연 면섬유 이용한 직물형 고성능 슈퍼커패시터 전극 개발
가격 경쟁력 및 고전도성, 고성능 확보
조진한 교수팀 연구결과 Advanced Science 게재

▲ 왼쪽부터 조진한 교수(교신저자), 고용민 박사(공동교신저자), 장우제 연구원(제1저자), 남동현 연구원(공동제1저자)

공과대학 화공생명공학과/KU-KIST 융합대학원 조진한 교수는 대구경북과학기술원(DGIST) 고용민 박사와 함께 직물 소재에 비귀금속 계열 구리 나노입자의 코팅과 금속 에너지 활물질의 전기도금을 통해 가격 경쟁력을 확보하고 고전도성 및 고성능의 직물형 슈퍼커패시터 전극을 개발했다.
* 슈퍼커패시터(supercapacitor) : 에너지 저장소자의 일종으로 배터리에 비해 에너지 밀도는 낮지만, 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명을 특징으로 갖는다.

천(cotton)과 같은 직물 소재는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 소재로써 기계적 물성이 우수하며, 다공성 구조로 인한 넓은 표면적을 특징으로 가지고 있어 에너지 전극 소재 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

직물 소재는 절연적 성질을 가지고 있어 기존 연구에서는 탄소나노튜브나 금속 나노와이어 등의 물질을 이용하여 전도성을 부여하는 시도를 하였지만, 물질 자체의 낮은 전도성과 물질 간의 수많은 접촉 저항으로 인해 벌크 금속 수준의 전도성을 확보하는데 제한적이었다. 다른 방법 중 하나인 무전해 도금법 (electroless plating)의 경우 직물 내부까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하기 어렵고, 불순물의 함유로 인해 전도성이 상대적으로 낮다는 한계점이 있다. 또한, 위의 방법들은 물질들 간의 상호결합력이 제대로 고려되지 않고 단순히 물리적으로 흡착되어 있는 경우가 많아 반복적인 물리적 변형 하에서 전도성 물질 층에 균열이 가거나 박리되는 문제가 있다.

연구팀은 먼저 가격 경쟁력이 우수한 구리 나노입자를 제조하여 전도성 나노입자로 활용했고, 이를 리간드 치환 층상자기조립법이라는 독특한 적층 방법을 통해 직물 소재 안쪽까지 균일하게 코팅했다. 이후, 범용적으로 사용되는 전기 도금법을 이용하여 벌크 금속 수준의 전기전도성을 갖는 금속 직물을 단시간 내에 제작했다.
* 리간드 : 나노입자와 같은 착화합물의 중심원자와 배위결합하며 주위를 둘러싸고 있는 분자 혹은 이온을 일컫는다
* 단분자 리간드 치환 층상자기조립법 : 물질 간 친화력 (정전기적인력, 수소결합, 공유결합 등)의 차이를 이용하여 기능성 나노박막을 제작할 수 있는 기술이다. 즉, 입자 표면에 결합되어 있는 리간드보다 더 큰 친화도를 갖는 단분자리간드를 이용하여 박막을 제작함으로써 입자표면의 리간드가 떨어지고 새로운 단분자리간드가 그 자리에 치환된다.


이렇게 제작된 전도성 직물을 바탕으로 이론적 축전용량 값이 큰 니켈과 코발트의 금속산화물을 추가로 전기 도금하여 최종적으로 고성능 슈퍼커패시터 전극을 제작했다. 이러한 직물 전극은 높은 전기전도성을 유지함과 동시에 각 물질 간의 화학적 결합력을 이용한 코팅으로 높은 기계적 안정성을 보였다. 또한, 직물 소재의 다공성 구조를 막지 않는 균일한 코팅으로 인해 단위 면적당 축전용량 값을 크게 향상시킬 수 있었다.

기존의 연구에서는 활성층의 두께가 두꺼워지면 내부에서의 전자/전하이동이 원활하지 않아 높은 축전용량 값을 유도하기 힘들었지만, 직물 전극의 경우 다공성 구조의 장점으로 인해 같은 전극을 3겹까지 쌓음으로써 단위 면적당 축전용량 값은 약 2.4배 더 증가시킬 수 있었다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 이공분야기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 독일 현지시간 기준 9월 26일자 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Fibril-Type Textile Electrodes Enabling Extremely High Areal Capacity through Pseudocapacitive Electroplating onto Chalcogenide Nanoparticle-Encapsulated Fibrils
* 저널명 : Advanced Science
* 저자 : 조진한 교수 (교신저자/고려대학교, KU-KIST 융합대학원), 고용민 박사 (공동교신저자/대구경북과학기술원 (DGIST)), 장우제 석박사통합과정 (제1저자/고려대학교), 남동현 석박사통합과정 (공동제1저자/고려대학교)


[ 용 어 설 명 ] 


1. 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)
○ 인용지수 17.521의 재료과학 및 나노기술 분야의 권위 있는 과학학술지.

2. 슈퍼커패시터 (Pseudocapacitor)
○ 에너지 저장소자의 일종으로 배터리에 비해 에너지 밀도는 낮지만, 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명을 특징으로 갖는다.

3. 리간드 (Ligand)
○ 나노입자와 같은 착화합물의 중심원자와 배위결합하며 주위를 둘러싸고 있는 분자 혹은 이온을 일컫는다. 이는 입자 사이의 응집을 방지하고, 입자의 형태 및 특성을 조절한다.

4. 리간드 치환 층상자기조립법 (Ligand exchange induced Layer-by-layer(LbL) assembly)
○ 물질 간 친화력 (정전기적인력, 수소결합, 공유결합 등)의 차이를 이용하여 기능성 나노박막을 제작할 수 있는 기술이다. 즉, 입자 표면에 결합되어 있는 리간드보다 더 큰 친화도를 갖는 단분자리간드를 이용하여 박막을 제작함으로써 입자표면의 리간드가 떨어지고 새로운 단분자리간드가 그 자리에 치환된다.


[ 그 림 설 명 ] 

▲ 직물 소재기반 슈퍼커패시터 전극 제작 방법 모식도

절연성 직물 소재에 비귀금속 구리 나노입자 (TOABr-CuS NPs)를 단분자리간드 (Cysteamine, Cys)와 교대 적층시킴으로써 직물 소재에 전기도금을 위한 최소한의 전기전도성을 부여한다. 이후 니켈 전기도금을 통해 벌크 금속 수준의 전기전도성을 갖는 직물 집전체를 제조한다. 추가적으로 니켈과 코발트의 전기도금을 통해 균일하게 코팅된 고전도성/고성능 슈퍼커패시터 전극을 제작한다.




커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)