고려대, 금속같은 전도성과 고무같은 신축성 지닌 대뇌피질 형태 신축성 전극 개발

▲ 대뇌피질 형태의 표면 미세구조를 갖는 신축성 전극제작 모식도유기용매 상에서 팽창된 탄성체 표면과 금속 나노입자의 화학적 결합을 유도한 후, 알코올 상에서 강한 수축을 유도해 대뇌피질과 같은 표면구조와 전기도금을 위한 전도성을 부여한다. 이후, 니켈 전기도금을 통해 벌크 금속과 같은 전기전도성을 구현하였다. 제작한 신축성 전극은 넓은 표면적과 우수한 기계적 물성을 갖고 있으며, 이를 바탕으로 마찰전기 발전소자에 사용될 수 있었다. (자료=고려대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 고려대학교(총장 김동원) 조진한 교수 연구팀은 높은 전기전도성과 표면적, 그리고 기계적 안정성을 동시에 지닌 대뇌피질 형태의 표면을 갖는 신축성 전극 개발에 성공했다. 또, 제작한 신축성 전극을 마찰전극으로 활용해 고성능 마찰전기 발전소자 (triboelectric nanogenerator)를 개발했다.

마찰전기 발전소자(triboelectric nanogenerator)는 두 물질 간 마찰이 일어났을 때 대전 되는 형상과 정전기 유도원리를 이용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치이다.

이 연구성과는 나노과학/기술 분야의 권위 학술지인 나노 에너지 (Nano Energy, IF = 17.6)에 8월 26일자 온라인 게재됐다.

웨어러블 기기, 전자 피부와 같은 차세대 유연성 전자기기들의 개발을 위해서 높은 전기전도성 및 표면적, 그리고 좋은 기계적 안정성을 갖는 신축성 전극제작이 필수적이다. 이를 위해 우수한 기계적 물성을 갖는 탄성체 소재 위에 전도성 물질을 단순 코팅, 또는 진공증착하는 방식으로 신축성 전극을 제작하는 연구가 이뤄지고 있었다.

그러나, 기존 연구들에 사용되는 전도성 물질들은 본질적으로 낮은 전기전도성을 띠며, 입자 표면을 둘러쌓은 절연성 물질로 인해 높은 접촉 저항(contact resistance)을 갖는다. 또, 전도성 물질과 탄성체 간의 낮은 결합력 때문에 전극 표면에서 전도성 물질이 쉽게 탈착된다는 문제점이 있다. 따라서 신축성 전극의 상용화를 위해서 높은 전도성과 기계적 안정성을 동시에 구현한 전극제작이 필요하다.

이에 조진한 교수 연구팀은 대뇌피질과 같은 표면 미세구조를 가지며, 금속과 같은 전도성 및 탄성체와 같은 신축성을 지닌 전극을 개발에 성공했다(그림). 이를 구현하기 위해 유기용매 상에서 팽창된 탄성체 계면 위에 금속 나노입자의 강한 화학적 결합을 유도한 후, 알코올 상에서 강한 수축을 유발하여 대뇌피질과 같은 주름 구조의 탄성체 전도체를 제작했다. 이후, 제작한 전도체 위에 전기도금을 진행하여 매우 얇은 니켈층을 코팅했다.

이처럼 제작된 전극은 금속과 같은 전도성을 가지며, 금속 나노입자 조립 과정에서 생긴 미세구조로 인해 미세구조가 없는 평판 전극보다 약 12배가량 향상된 표면적을 보였다. 전극의 표면적이 넓으면 접촉 면적이 넓어진다는 장점이 있어, 마찰전기 발전소자에 활용하면 높은 성능을 보일 수 있다.

추가적으로, 연구팀이 제작한 전극은 기계적 물성이 떨어지는 니켈로 도금했음에도 불구하고 탄성체 소재 고유의 높은 유연성 및 신축성을 유지했으며, 기존 상용화된 스퍼터링(sputtering) 방식으로 제작한 전극과 비교하였을 때 매우 높은 기계적 안정성을 보이는 것을 확인했다.

특히, 전극 표면을 강한 힘으로 20,000번 이상 압축을 가하더라도 전극의 전도성을 유지하며, 압축 이후에도 표면 미세구조가 변하지 않는 등 우수한 기계적 물성을 지닌 것으로 확인했다. 연구팀은 제작한 전극의 높은 표면적 및 뛰어난 기계적 물성을 기반으로 마찰전기 발전소자로 적용하여 높은 전력 밀도의 에너지를 생산할 수 있었다.

▲ 고려대 조진한 교수(왼쪽), 박문규 연구원 (사진=고려대)

연구를 주도한 박문규 연구원은 "우리가 제안한 탄성체 기반 전극은 다양한 활물질을 코팅할 수 있어 높은 표면적을 갖는 신축성 전극이 필요한 모든 분야에 응용 가능한 플랫폼 기술"이라고 강조하였다. 조진한 교수는"신축성 전극의 상용화에 걸림돌이 되는 한계점인 기계적 안정성과 전기전도성을 동시에 극복했으며, 이를 통해 차세대 전자기기의 개발에 크게 이바지할 수 있을 것"이라고 기대했다.

※ 논문정보
- 논문명 : A Cerebral Cortex-like Structured Metallized Elastomer for High-Performance Triboelectric Nanogenerator
- 저자 : 조진한 교수(교신저자, 고려대), 박문규 석사과정(제1저자, 고려대)