몸에 붙이고 늘려도 용량 그대로…'늘어나는 전원장치' 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국연구재단은 서울시립대학교 윤진환 교수 연구팀이 원래 길이의 4배까지 늘려도 저장 용량이 거의 줄어들지 않는 고신축성 슈퍼커패시터를 개발했다고 6일 밝혔다.

피부에 부착하는 건강 센서가 빠르게 확산되고 있지만 기존의 딱딱한 전원 장치는 착용감이 불편하고 신체 움직임을 제한되는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해서는 몸의 움직임에 따라 자유롭게 늘어나면서도 성능을 안정적으로 유지하는 전원이 필요하다.

슈퍼커패시터는 배터리보다 수백 배 빠르게 충전돼 신체의 미세한 움직임에서 발생하는 전기 에너지를 즉시 저장할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 지금까지 개발된 슈퍼커패시터는 늘어나거나 변형될 경우 저장 용량이 크게 감소하는 문제가 있었다. 높은 에너지 저장 성능과 뛰어난 신축성을 동시에 구현하는 것은 어려운 기술적 난제였다.

연구팀은 유연 전극을 활용한 소재와 강력 접착력을 갖는 젤 등 두 가지 핵심 기술을 통해 이 문제를 해결했다.

망간 산화물, 탄소나노튜브, 전도성 고분자를 말랑말랑한 실리콘 고무 안에 섞어 만든 유연한 전극에 인산 처리를 하면 망간 산화물이 머리카락 굵기의 약 1만 분의 1에 해당하는 가느다란 바늘 모양으로 변한다. 실리콘 고무가 늘어날 때 바늘 모양 구조들이 서로 연결되면서 전기가 흐르는 통로를 계속 유지한다.

양전하와 음전하를 동시에 가진 특수 분자를 이용해 젤을 만들고, 여기에 자외선을 쬐면 전극과 젤 사이에 화학결합이 생겨 접착제처럼 단단히 붙는다. 이 결합은 강하게 유지되어 1만번 늘렸다 줄이는 반복 변형에도 분리되지 않는다.

이렇게 개발된 슈퍼커패시터는 300% 늘어난 상태에서도 저장 용량 95% 이상을 유지했다. 이는 기존 기술을 크게 뛰어넘는 세계 최고 수준의 성능이다. 실제로 팔에 부착한 상태에서 팔을 구부리는 동작에서도 정상적으로 작동했다. 스마트폰을 이용한 무선 충전도 가능했다.

윤 교수는 "이번 기술은 차세대 웨어러블 기기의 핵심 전원 부품으로 활용될 것으로 기대된다"며 "전자 피부를 비롯해 가상현실 촉각 슈트, 재활 치료용 웨어러블 기기 등 고도의 신축성과 안정성이 요구되는 다양한 응용 분야를 여는 핵심 기술로 평가받고 있다"고 강조했다.

이번 연구 성과는 에너지 재료 분야 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr