국립공주대학교(총장 원성수) 신소재공학부 임진형 교수 연구팀(사진)은 전도성고분자/금속 킬레이트/산화그래핀 복합소재의 원천 기술의 개발을 통하여 자가충전 기능과 에너지 저장 특성을 지닌 다기능성 수퍼캐퍼시터를 개발했다.

유-무기 복합소재를 유연한 기재에 통합하는 기술 개발을 자가 충전형 수퍼캐퍼시터를 디바이스의 설계기술과 통합하여 구현하였다. 

본 기술은 기존에 알려진 자가충전형 바이오-슈퍼캐퍼시터와는 달리 신체에서 발생하는 땀을 보조 전해질로 충전되는 비효소적인 경로로 뛰어난 에너지 저장특성을 가지는 자가 충전형 슈퍼캐퍼시터라는 특징을 가진다.

슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 축전용량이 대단히 큰 에너지 저장매체로 화학반응을 이용하는 2차전지와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전 현상을 이용한다. 급속 충·방전이 가능하고 반영구적인 사이클 수명 특성을 가져 미래의 모바일 기기 저장장치로의 응용을 위하여 활발히 연구되어왔다.

본 연구팀이 개발한 Poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT)/Copper Chelate/Graphene Oxide (GO)로 구성된 복합소재는 비공유 기능기화 (Non-covalent functionalization)의 접근을 통한 분자 수준의 복합화를 통하여 제조하였다. 실증적인 다양한 디바이스에 적용하여 우수한 성능을 나타냄을 확인하였고, 웨어러블 기기의 주요 요구사항인 적절한 생체적합성도 가지고 있었다.

연구결과, 제조된 복합소재는 다양한 유연한 기질 표면에 독립적으로 설계된 소자를 형성하여 외부의 충격으로부터 보호될 수 있는 구조로 제작되어 장기간 안정성을 보유할 수 있었다. 수 mm의 굴곡반경으로 구부려도 초기 정전용량의 90%를 유지하는 형태 적합특성과 50,000회 충방전 시험에도 초기 정전용량의 80%이상 구현할 수 있는 장기신뢰 특성을 가지는 복합 유연소재의 원천기술을 개발하였다. 또한, 이 소재의 에너지 저장 특성은 기존의 땀을 매개로 하는 효소기반형 바이오-슈퍼캐퍼시터보다 1000배 이상의 에너지 밀도를 가지는 것으로 학계의 이목을 끈다. 

논문의 교신저자 임진형 교수는 “인체에서 발생하는 땀을 비효소적인 경로로 자가 충전형 및 인체부착형 에너지 저장장치의 개발은 지속가능한 에너지 활용 기술의 일환으로, 탁월한 유연성/전기적/장기신뢰 특성을 고려할 때 산업적으로 활용 가치가 매우 크다”며 “더욱이 생체적합성과 고효율의 수퍼캐패시터 특성을 고려할 때, 차세대 웨어러블 헬스케어 산업의 다양한 분야에 응용 가능성을 기대한다”고 밝혔다.

이 연구성과는 Wiley 출판사가 발행하는 자연과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 Advanced Science (Impact factor: 17.521)에 9권 25호 표지(Front Cover) 논문으로 게재되었다. 또한, 본 기술은 특허출원 (출원번호: 10-2022-0054790)을 올해 5월 완료하여 지적 재산권도 확보한 상태이다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업 (연구과제번호: NRF-2019R1I1A3A01054826)의 일환으로 수행됐다.

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