한양대, 유연전자소자에 적합한 슈퍼 커패시터 개발

[테크월드=조명의 기자]

한양대 화학공학과 고민재 · 화학과 이해원 교수 공동연구팀이 2차원 나노소재인 맥신(MXene) 복합체를 이용한 새로운 ‘유연 슈퍼 커패시터’를 개발했다.

고성능 슈퍼 커패시터 개발을 위해서는 표면적이 큰 전극개발이 매우 중요한 데, 맥신은 티타늄·탄소·질소의 화합물로 친수성과 축전용량이 높아 유연 슈퍼 커패시터의 전극 재료로 적합하다는 평을 받는다. 

하지만 맥신은 2차원 평면구조로 층층이 이뤄진 비연속적인 나노 구조로 구성돼 수평 전기전도도와 수직 방향의 전기전도도 차이가 매우 크다는 단점을 가진다. 특히 수직 방향의 전기저항 수치는 수평 방향의 저항수치에 비해 약 100배 이상의 큰 차이를 나타내며, 이로 인해 방전 과정에서 전극 내부에서의 전자전송 속도가 큰 차이가 발생해 슈퍼 커패시터의 성능을 크게 저하시키는 문제가 있었다.

이런 문제점을 해결하기 위해 공동연구팀은 새로운 소재합성 방법을 개발했다. 다중적층구조로 구성된 맥신의 내부 표면에 탄소나노튜브를 성장시킴으로써 맥신 적층구조 내부에서도 독특하게 상호 연결된 3차원 다공성 나노구조를 형성했다. 

이렇게 합성된 맥신-탄소나노튜브 복합체는 매우 큰 부피 당 표면적을 가지면서도 내부 저항이 낮고 안정성이 뛰어났다. 해당 복합체를 유연 슈퍼 커패시터의 전극으로 활용했을 경우 충전되는 전하량이 맥신 단독 사용했을 경우 대비 62% 이상의 향상됐고, 탄소나노튜브를 사용한 경우보다 4 배 이상 향상된 성능을 보였다.

공동연구팀이 개발한 유연 슈퍼 커패시터는 기존의 맥신 기반 소자에 비해 에너지저장 성능을 대폭으로 향상시켰다는 점 외에도 맥신의 전기화학 기능의 개선을 통해 고성능 에너지 재료로서 새로운 연구 방향성을 제시했다는데 의의를 가진다.

고민재 교수는 “이번 연구는 전기전도도가 우수한 맥신-탄소나노튜브 복합체를 쉽고 간단하게 합성해 에너지 저장소자에 적용할 경우, 성능이 대폭 향상돼 유연전자소자 뿐만 아니라 심박동기 와 같은 체내 삽입형 소자에도 활용할 수 있는 잠재력을 충분히 보여 주었다”고 말했다. 

이어 “더 중요한 것은 탄소나노튜브의 가교 역할을 통한 맥신 소재의 방향에 따라 성능의 차이가 나는 문제를 효과적으로 극복할 수 있어 미래 각 영역에서의 맥신 소재의 활용에 대한 가능성을 열어 놓았다는 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 주관 기후변화대응사업 기초원천기술개발과제와 이공분야기초연구사업 중견연구에 의해 진행됐다. 연구 성과는 재료분야 저널인 ‘Advanced Functional Material’ 11월 표지논문으로 선정·게재됐다.