▲ (왼쪽부터) 화공생명공학과 및 KU-KIST융합대학원 조진한 교수(교신저자), 화공생명공학과 유창은 석사과정(제1저자), 화공생명공학과 이석민 석사과정(공동제1저자), 화공생명공학과 송용권 석박통합과정(공동제1저자)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 화공생명공학과 및 KU-KIST융합대학원(원장 권익찬) 조진한 교수 연구팀이 마이크로/나노 주름 구조를 탄성체 전극에 구현하여 높은 에너지 저장 성능과 기계적 안정성을 동시에 지닌 신축성 에너지 저장 전극 개발에 성공했다.

탄성체 소재는 우수한 기계적 물성을 기반으로 다양한 차세대 웨어러블/유연 전자기기 개발을 위해 폭넓게 연구되고 있다. 기존까지는 이러한 탄성체 소재를 활용하여 전극을 제작하기 위해 금속 나노물질, 전도성 고분자, 또는 탄소 나노물질 등과 같은 전도성/활성 물질들을 탄성체 중합 과정 중에 섞어 전극을 제작해왔다. 하지만 이러한 방법들을 인접한 물질 사이에서 발생하는 높은 접촉 저항(contact resistance)과 도입된 물질 본연의 낮은 전기전도성 및 축전용량으로 인해 우수한 성능을 구현하는 데 한계가 있었다.

▲ 마이크로/나노 주름 구조를 지닌 탄성체 기반 전극 제작 방법 모식도

이에 조 교수 연구팀은 유기용매 상에서 탄성체 소재의 팽윤/수축 현상을 이용한 금속 나노입자 조립과 니켈/니켈-코발트 층상이중수산화물(layered double hydroxides) 전기 도금 방법을 결합해 높은 에너지 저장 성능, 우수한 기계적 특성 및 다양한 형태/크기로 적용이 가능한 탄성체 기반 신축성 에너지 저장 전극을 개발했다.

팽윤/수축 현상을 이용한 금속 나노입자 조립을 통해 탄성체 소재에 도금을 위한 전기전도성을 부여할 뿐만 아니라, 표면에 마이크로 크기의 주름을 형성할 수 있었고, 이러한 구조를 통해 기계적 변형 하에서 발생하는 응력(stress)을 효과적으로 분산시킬 수 있었다.

제작된 탄성체 전극으로의 니켈 도금을 통해 주름 구조를 온전히 유지하면서도 높은 전기 전도성을 구현할 수 있었으며, 높은 축전용량을 지니는 니켈-코발트 층상이중수산화물 도금을 통해 마이크로 주름 위에 나노 구조를 계층적으로 형성하여 높은 에너지 저장 성능을 위한 활성 면적을 더욱 극대화할 수 있었다.

특히, 이러한 기술은 (용액공정을 기반으로) 일반적인 평판 형태를 포함하여 원형, 나선형, 패턴형, 폼형과 같은 다양한 형태를 지닌 탄성체 소재에 크기 관계없이 범용적으로 적용될 수 있는 것으로, 기존 보고된 주름 구조 기반의 탄성체 전극 제작 방법들과 크게 차별화된다고 할 수 있다. 이를 통해, 제작된 나선형 탄성체 전극은 매우 높은 신축성(~500%)을 보였고, 품형 탄성체 전극은 평판형 전극에 비해 약 9배 이상 높은 단위 면적당 축전용량을 보였다.

조 교수는 “신축성 에너지 저장 전극에서 전기적/에너지 저장 성능과 기계적 안정성이 상충하는 중요한 한계점을 상당 극복할 수 있는 연구로, 향후 다양한 분야에서의 기술 융복합을 통해 웨어러블/유연 전자기기의 획기적인 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구 성과는 재료과학 및 나노과학/기술 분야의 권위 학술지인 카본 에너지(Carbon Energy, IF = 21.556)에 온라인 게재(독일 현지 기준 3월 15일)되었다.   /공과대학신문

 *논문명: Micro/nano-wrinkled elastomeric electrodes enabling high energy storage performance and various form factors

*저널명: Carbon Energy

*저자: 조진한 교수 (교신저자/고려대학교 화공생명공학과, KU-KIST 융합대학원), 유창은 석사과정 (제1저자/고려대학교 화공생명공학과), 이석민 박사 (공동제1저자/고려대학교 화공생명공학과), 송용권 석박통합과정 (공동제1저자/고려대학교 화공생명공학과)