[지금은 과학] 낙엽 위에 마이크로 에너지저장장치 만든다

[아이뉴스24 정종오 기자] 낙엽이 마이크로 수퍼커패시티가 되는 시대가 다가왔다. 국내 연구팀이 곳곳에서 볼 수 있는 흔한 낙엽을 이용해 마이크로 에너지저장 소자를 만드는데 성공했다. 다만 낙엽은 잘 바스러져 단기간 사용하고 버리는 곳에 사용될 것으로 예상된다.

상대적으로 잘 바스러지지 않는 대나무잎 등을 이용하고 여기에 폴리머 등을 입히면 약 1천번까지는 사용가능한 것으로 검증됐다.

생체인식 센서 등 일회용 제품에 사용가능할 것으로 보여 눈길이 쏠린다. 앞으로 연구팀은 추가 연구를 통해 낙엽 등을 갈아 분말로 만든 뒤 이를 반죽처럼 만들어 잘 바스러지지 않고 사용 기간을 늘리는 제품 개발도 추진하고 있다.

카이스트(KAIST, 총장 이광형)는 기계공학과 김영진 교수 연구팀과 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구팀이 공동연구를 통해 극초단 펨토초 레이저 직접 묘화 기술을 기반으로 세계최초 낙엽 상 그래핀-무기-하이브리드 마이크로 슈퍼커패시터(초소형 고성능 에너지저장소자) 제작에 성공했다고 13일 발표했다.

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

증가되는 전자 전기 제품의 소비와 사용, IT 모바일 기기의 첨단화에 따른 짧은 교체 주기에 따라 폐전지의 발생량이 급증하고 있다. 이는 폐전지의 수거, 재활용과 처리 과정에 있어 안정성, 환경적 이슈 등의 많은 어려움을 불러온다.

산림은 전 세계 육지의 30% 가량을 덮고 있다. 산림에서는 엄청난 양의 낙엽이 배출된다. 이러한 바이오매스는 자연적으로 풍부하고 생분해성이며 재생 가능한 매력적 친환경 재료다. 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 쬐었다. 대기 중에서 특별한 처리 없이 단일 단계로 높은 전기 전도성을 지닌 미세 전극인 3D 다공성 그래핀을 생성하는 기술을 개발했다.

이를 활용해 유연한 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하는 방안을 제시했다. 연구팀은 해당 연구를 통해 낙엽으로부터 쉽고 값싸며 빠르게 다공성 그래핀-무기결정 하이브리드 전극을 제작할 수 있음을 보였다.

제작된 그래핀 마이크로 슈퍼커패시터를 LED 발광을 위한 전원 공급과 온·습도계 타이머와 카운터 기능의 전자시계 전원 공급을 테스트함으로써 성능을 검증했다. 이는 저가의 녹색 그래핀 기반 유연한 전자 제품의 대량 생산을 위한 길을 열 수 있음을 의미한다.

연구 논문의 교신저자인 김영진 카이스트 교수는 개발된 차세대 에너지 저장 소자에 대해 "현재 감당이 어려운 산림 바이오매스인 낙엽을 차세대 에너지 저장 소자로 재사용함으로써 폐자원의 재사용과 에너지 선순환 시스템 확립을 가능하게 한다ˮ고 말했다.

공동 교신저자인 에너지연 윤하나 박사는 "이번 기술은 친환경 산업의 기술 혁신과 고부가가치 신재생에너지, 이차전지 사업으로써의 신시장 창출뿐 아니라 국가의 사회, 경제적 비용을 크게 감소시킬 수 있을 것”이라며 “나아가 웨어러블 전자 제품과 스마트 홈이나 사물 인터넷에도 적용될 것으로 기대된다ˮ고 설명했다.

카이스트 기계공학과 레딘츤손 박사 후 연구원과 에너지연 이영아 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과(논문명 : Green Flexible Graphene–Inorganic-Hybrid Micro-Supercapacitors Made of Fallen Leaves Enabled by Ultrafast Laser Pulses)는 재료과학과 융합연구분야 국제학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'(Advanced Functional Materials) 지난해 12월 5일 온라인 판에 실렸다.