공과대학 화학신소재공학부 미세유체 및 소프트재료 연구실(장석태 교수-교신저자, 오인혁 석박통합과정-제1저자, 이성민 박사, 김연우 석사과정)과 에너지 저장 시스템 연구실(남인호 교수-교신저자/지능형에너지산업학과·첨단소재공학과 겸임, 최세영 석사과정)로 구성된 공동연구팀이 한 장의 종이로 구성된 신개념 플렉서블 종이 슈퍼커패시터를 개발하는 데 성공했다.

오인혁 석박통합과정 학생, 남인호 교수, 장석태 교수

연구팀은 종이의 유연한 특성과 다공성 구조를 이용한 차세대 에너지 저장 장치에 대한 연구를 진행하였다. 왁스 프린팅 및 히팅 기술을 이용해 종이 내부에 소수성 장벽을 형성하여 원하는 영역에 전극을 수직으로 분리하여 제작하고, 대면적 공정이 가능한 용액 기반의 증착 기술을 통해 종이 한 장으로 구성된 슈퍼캐패시터를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 “기존의 종이 기반 슈퍼커패시터들은 독립된 각각의 전극으로 인해 여러 장의 종이가 필요하고 소자로 만들었을 때 안정적인 구동이 어렵지만, 본 연구에서 개발한 종이 양면을 이용한 전극 구조는 단 한 장의 종이만으로도 슈퍼커패시터 제작이 가능하여 효율적이고 안정적인 종이 기반 차세대 에너지 저장 장치의 새로운 가능성을 보였다.”며, “용액 공정을 기반으로 종이의 다공성 구조를 유지한 채 질량당 커패시턴스를 252 F/g까지, 면적당 커패시턴스는 508 mF/cm2까지 얻어내며 에너지 저장 능력 또한 우수한 슈퍼커패시터 디바이스를 만들어냈다.”고 전했다. 

또한, 이번 연구를 기반으로 대면적인 공정이 가능하기에 양면에 전극을 교차로 증착해 직렬연결 회로로 구성된 슈퍼커패시터를 제작함으로써 부족한 슈퍼커패시터의 구동 전압을 증가시키는 결과도 얻어냈다.

이번 연구 성과에 대한 내용은 ‘Hydrophobic-barrier-assisted formation of vertically layered capacitive electrodes within a single sheet of paper’ 논문을 통해 확인 가능하다. 해당 논문은 재료과학 및 에너지 분야 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’ (IF 12.732) 12월 6일자 온라인판에 게재되었다.

한편, 논문의 제1저자인 석박통합과정 오인혁 재학생은 연구성과를 토대로 지난 10월 20일~22일 경주화백컨벤션센터에서 진행된 2021년 한국고분자학회 추계학술대회에서 대학원생 구두 발표 부문 ‘우수논문발표상’을 수상하였다. 

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 4단계 BK21 미래인재양성사업, 한국전력 기초연구개발사업의 지원을 받아 수행되었다.