▲ 섬유형태의 단일 슈퍼커패시터(左), 슈퍼커패시터를 서로 꼬은 구조(中), 32 가닥 탄소나노튜브 섬유로 만든 브레이드 구조(右).

탄소나노튜브(CNT)와 금속와이어를 이용해 축전 용량을 획기적으로 높인 에너지저장장치가 개발돼, 기기 소형화 등에 가속도가 붙을 전망이다.

미래창조과학부는 전도성 고분자를 코팅한 탄소나노튜브를 실처럼 꼬아 만든 슈퍼커패시터(차세대에너지저장장치)가 국내 연구진에 의해 개발됐다고 지난 9일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용할 수 있는 에너지 저장장치로 급속 충·방전이 가능하고 높은 효율과 반영구적인 수명을 갖고 있다. 유연하고 가벼운 섬유형태로 에너지 저장밀도를 높이면, 마이크로 로봇이나 이식용 의료장치와 같은 소형기기 뿐만 아니라 착용 가능한 전자직물 등에 에너지저장장치로 응용될 수 있다.

연구팀은 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 나선 모양으로 꼬은 직경 20㎛의 커패시터와 집전장치의 역할을 하는 직경 25㎛ 금속와이어를 서로 꼬아 섬유형 슈퍼커패시터를 개발했다.

개발된 슈퍼커패시터는 최근에 보고된 양파모양의 탄소전극이나 활성탄소 축전용량과 비교한 결과 축전용량이 최소 6배 이상(~10 F/㎤) 우수한 것으로 나타났다.

탄소나노튜브 시트를 나선형으로 꼬은 섬유형태의 경우, 섬유내부의 다공성 구조 덕분에 전해질 내의 이온들과 접촉하는 단위표면적이 넓어져 높은 에너지 저장밀도를 갖는다.

또한 이온이 원활히 이동할 수 있는 다양한 크기의 공간이 존재해 충·방전 속도도 빠르다. 실제로 액체 및 고체 전해질 내에서 각각 25 V/s, 5 V/s 의 매우 빠른 충·방전속도에서도 우수한 커패시터 성능을 유지했다.

이번 연구를 주도한 한양대학교 생체공학과 김선정 교수는 “개발된 고성능 섬유형태 슈퍼커패시터는 섬유의 길이 방향으로 스케일 향상이 가능하고, 공기중에 오랜 시간 동안 노출되거나 구부린 상태에서도 성능이 저하되지 않는 장점을 갖는다”며, “엑추에이터 및 에너지 저장 등으로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션지(Nature Communications) 온라인판 6월4일자에 게재됐다.