한국과학기술연구원(KIST)이 서울대 연구진과 함께 차세대 에너지저장장치(ESS)로 가능성을 주목받는 ‘탄소나노튜브(CNT) 슈퍼커패시터’를 개발했다. 탄소나노튜브는 탄소 원자들이 육각형 모양으로 뭉쳐 튜브 형태로 배열된 나노미터 크기의 신소재를 말한다.

KIST는 탄소융합소재연구센터 구본철 연구원, 김서균 연구원팀과 서울대 융합과학기술대학원 응용바이오공학과 박원철 교수 공동 연구팀이 단일벽 CNT와 전도성 고분자 폴리아닐린(PANI)을 복합한 혁신적 섬유 구조를 만들어 기존 슈퍼커패시터 한계를 극복했다고 12일 밝혔다.

폴리아닐린은 아닐린 단분자를 중합해 제조한 고분자 물질로 주변 환경에 따라 산화, 환원 반응을 조절한다. 이를 통해 전자를 저장 또는 방출하며, 색깔을 바꾸기도 한다.

슈퍼커패시터는 일반 배터리에 비해 빠른 충전 속도와 높은 전력 밀도를 갖는다. 수만 회 충방전을 해도 성능 저하가 배터리보다 상대적으로 적다. 그러나 에너지 밀도가 상대적으로 낮아 장시간 사용에는 제약이 있다.

연구팀은 전도성이 뛰어난 단일벽 CNT와 가공성이 좋은 폴리아닐린을 나노미터 수준에서 균일하게 화학적으로 결합하는 데 성공했다. 이를 통해 전자와 이온의 흐름을 동시에 높이는 정교한 섬유 구조체를 제작했다.

KIST 관계자는 “개발한 슈퍼커패시터는 10만 회 이상 충·방전 테스트에서도 안정적 성능을 유지하고 고전압 환경에서도 내구성이 뛰어난 것으로 나타났다”고 말했다. 이어 “전기차에 적용할 경우 급속 충전과 함께 효율적 전력 공급이 가능해져 주행거리를 높일 수 있고, 드론이나 로봇에 쓰면 작동 시간 증가와 안정성 강화 등 다양한 효과가 기대된다”고 덧붙였다. 휘거나 접을 수 있어 웨어러블 기기에도 사용할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 스마트그리드 시스템이나 우주·항공, 국방 분야에서도 활용이 가능할 것으로 예상된다.

이번 연구는 KIST 기관고유사업과 과학기술정보통신부의 지역혁신 선도기술개발사업, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업 지원을 받았다.

이해성 기자 [email protected]