Chapter 02 국내 섬유형 에너지 저장 기술의 현재

#섬유형_전극 #웨어러블_슈퍼커패시터

더 가볍고, 더 유연하며, 더 오래가는 미래 배터리를 향한 기술의 진화는 이미 시작됐습니다. 이 흐름 속에서 국내 연구진들 역시 섬유에 전기를 담아내는 배터리 개발에 속도를 내며, ‘입는 배터리’의 실현 가능성을 한 땀 한 땀 짜내고 있습니다.
지금부터 섬유형 에너지 저장 소자와 장치를 둘러싼 국내 연구 동향을 함께 살펴봅니다.

사례1. 에너지 저장 ‘섬유형 전극 소재’ 개발

한국과학기술연구원(KIST)과 탄소융합소재연구센터 공동연구팀이 탄소나노튜브를 활용해 기존 전극 소재의 한계를 극복한 섬유형 전극 소재를 개발했습니다. 파우더 형태의 탄소나노튜브를 산처리하고 섬유화해 만든 이번 소재는 활성물질이 없어도 높은 에너지 저장 능력을 갖는 것이 특징이죠. 아울러 강하고 가벼우며 매우 유연한 특성을 가져, 웨어러블 기기 폼팩터의 자유도를 높이고 다양한 형태와 사용 용도에 맞춰 제작할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다. 연구팀은 개발 소재를 섬유형 슈퍼커패시터로 구현해 성능 테스트를 진행해보았는데요. 그 결과, 매듭을 지었을 때 100%에 가까운 성능이 유지되고 5,000회 이상 구부림 이후에도 95%의 성능이 유지됨을 확인했습니다. 일반 섬유와 함께 직조해 디지털시계 손목 줄 형태로 제작했을 때도 일상적인 환경 속에서 안정적으로 작동하는 모습을 보였다고 하는데요. 성능뿐만 아니라 실제 적용 가능성까지 입증된 만큼, 향후 입는 배터리 기술의 상용화를 앞당기는 중요한 기반기술이 되어줄 것으로 전망됩니다.

• 웨어러블 슈퍼커패시터 실증 * 출처 : https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202303003

사례2. 초고성능 웨어러블섬유형 슈퍼커패시터 개발

섬유형 슈퍼커패시터(Fiber Supercapacitor)는 유연성과 경량성 덕분에 웨어러블 전자기기의 효율적인 에너지 저장 솔루션으로 주목받고 있는데요. 최근 고려대학교, 한국원자력연구원, 한국과학기술원(KAIST), 한국기계연구원 공동연구팀은 금속 산화물(Transition Metal Oxides, TMOs) 기반의 나노리본 섬유(Nanoribbon Yarn)를 활용해 초고성능 섬유형 슈퍼커패시터를 구현해 화제를 모았습니다. 기존 화학적 증착 방식의 한계에서 벗어나, 접착제 없이 물리적으로 증착할 수 있는 기술을 개발해 높은 에너지 밀도와 우수한 전기화학적 안정성을 확보한 결과이죠.

• 섬유형 슈퍼커패시터의 구조 및 웨어러블 전자기기 적용 예시

또한 연구팀은 전이 금속 산화물 나노리본 섬유와 그래핀 섬유를 결합한 비대칭 슈퍼커패시터도 개발했습니다. 이는 현재까지 개발된 섬유형 슈퍼커패시터 중 가장 우수한 특성을 보이며, 세계 최고 수준의 웨어러블 에너지 저장 소자로서 가능성을 보여주었는데요. 향후 스마트 의류뿐만 아니라 사물인터넷(IoT), 웨어러블 전자기기 등의 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행되었습니다.

* 출처 : https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-024-00462-0