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산림 바이오매스 ‘낙엽’ 활용 생분해성 마이크로 슈퍼커패시터 개발 2022-01-13
권혁재 기자 hjk@mtnews.net


▲ 왼쪽부터 KAIST 기계공학과 김영진 교수, 한국에너지기술연구원 윤하나 박사, KAIST 기계공학과 레딘츤손 박사후연구원, 한국에너지기술연구원 이영아 연구원



[기계신문] KAIST 기계공학과 김영진 교수 연구팀과 한국에너지기술연구원 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구팀이 공동으로 극초단 펨토초 레이저 직접묘화 기술 기반 세계최초 낙엽 상 그래핀-무기-하이브리드 마이크로 슈퍼커패시터 제작에 성공했다.


웨어러블 전자 장치의 발전은 유연한 에너지 저장장치의 혁신에 직접적으로 영향을 받는다. 다양한 에너지 저장장치 중 마이크로 슈퍼커패시터의 경우 높은 전력 밀도, 긴 수명 및 짧은 충전 시간으로 큰 관심을 끌고 있다.


그러나 증대되는 전자·전기 제품의 소비 및 사용, IT 모바일 기기의 첨단화에 따른 짧은 교체 주기에 따라 폐전지의 발생량이 증대하고 있다. 이는 폐전지의 수거, 재활용 및 처리 과정에 있어 안정성 및 환경적인 이슈 등의 많은 어려움을 유발한다.


산림은 전 세계 육지의 30% 가량을 덮고 있으며, 산림에서는 엄청난 양의 낙엽이 배출된다. 이러한 바이오매스는 자연적으로 풍부하고, 생분해성이며 재생 가능한 매력적인 친환경 재료다. 그러나 이를 효과적으로 활용하지 못하고 방치하면 화재 위험, 식수원 오염 등 산림 재해가 발생할 수 있다.


연구팀은 두 가지 문제점을 동시에 해결할 방법으로 친환경의 생분해성 바이오매스인 낙엽 위에 추가 재료 없이 펨토초 레이저 펄스를 조사해, 대기 중에서 특별한 처리 없이 단일 단계로 높은 전기 전도성을 지닌 미세 전극인 3D 다공성 그래핀을 생성하는 기술을 개발했다. 또한 이를 활용해 유연한 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하는 방안을 제시했다.


연구팀은 해당 연구를 통해 낙엽으로부터 쉽고 저렴하며 빠르게 다공성 그래핀-무기결정 하이브리드 전극을 제작할 수 있음을 보였으며, 제작된 그래핀 마이크로 슈퍼커패시터를 LED 발광을 위한 전원 공급 및 온·습도계 타이머·카운터 기능의 전자시계 전원 공급을 테스트함으로써 성능을 검증했다. 이는 저가의 녹색 그래핀 기반 유연한 전자 제품의 대량 생산을 위한 길을 열 수 있음을 의미한다.



▲ (a) 극초단 펨토초 UV 레이저 직접묘화 기반 공기 중 낙엽 상 그래핀 전극 생성 과정, (b) 레이저 조사 영역의 낙엽 재료 탄화 및 그래핀화를 통한 박리 과정, (c) 굽힘에서의 낙엽 기반 슈퍼커패시터 정전용량 유지 테스트, (d, e) 슈퍼커패시터 응용 예시 : LED 발광, 액정 디스플레이, 온·습도계 타이머·카운터 기능의 전자 시계 전원 공급



KAIST 김영진 교수는 현재 감당이 어려운 산림 바이오매스인 낙엽을 차세대 에너지 저장 소자로 재사용함으로써 폐자원의 재사용 및 에너지 선순환 시스템 확립을 가능하게 한다고 설명했다.


한국에너지기술연구원 윤하나 박사는 이번 기술은 친환경 산업의 기술 혁신 및 고부가가치 신재생에너지 및 이차전지 사업으로서의 신시장 창출뿐 아니라 국가의 사회적·경제적 비용을 크게 감소시킬 수 있을 것이라며 더 나아가 웨어러블 전자 제품 및 스마트홈이나 사물인터넷에도 적용될 것으로 기대한다고 밝혔다.


한편, 이번 연구는 한국농림축산식품부의 기획평가원 지원사업과 산림청의 산림과학기술 연구개발사업 및 한국에너지기술연구원 주요사업의 지원을 받아 수행되었다.


KAIST 기계공학과 레딘츤손 박사후연구원과 에너지기술연구원 이영아 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 및 융합연구 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 2021년 12월 5일 온라인 공개됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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