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▲  2차 결합을 이용한 핵심 물질 간의 상호작용 화학구조 모식도(좌) 극저온 환경에서 보호복에 부착(우) 인체의 움직임에 의한 압전/마찰에너지가 전기로 변환되어 에너지 수확/저장 소자로 활용하는 SC-PTNG(Supercapacitor-Piezo·Tribo Nanogenerator) 결합 시스템 개념도 / 그림설명 및 그림제공: 공주대학교 임진형 교수
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영하 80도의 극저온 환경에서 효율적으로 전기에너지를 수확하고 저장할 수 있는 친환경 기술이 개발됐다. 저온에서의 낮은 전하 이동도와 안정성 문제에 대한 해결책 제시 

한국연구재단(NRF, 이사장 이광복)은 21일 "임진형 국립공주대학교 교수 연구팀이 친환경적 소재로 개질된 사이클로덱스트린계 핵심 소재를 적용해 극저온에서 효과적으로 작동할 수 있는 수퍼캐퍼시터 하이브리드 시스템(Supercapacitor-Piezo·Tribo Nanogenerator hybrid system)을 개발했다"고 밝혔다. 

한국연구재단에 따르면, '수퍼캐퍼시터'는 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온 이동이나 표면화학 반응에 의한 충전 현상을 이용해 많은 에너지를 모아두었다가 수십 초, 수분 동안 높은 에너지를 발산하는 에너지 저장장치를 말한다. 최근 신재생에너지의 획기적 증가와 더불어 전력밀도가 높고, 충·방전 속도가 빠르며, 충·방전 사이클 수명이 매우 길어 주요 에너지 저장 장치로 대두되고 있다고 한다. 

특히나 최근 기후 변화로 인한 이상 저온 지역에서의 위기상황에서 극한 온도를 견딜 수 있는 효율적인 에너지원의 확보는 필수적인 상황이 됐다. 

대표적인 에너지 저장장치로 꼽히는 이차전지의 경우 온도가 감소할수록 전지 내부저항이 급격하게 증가하면서 리튬이온의 이동성이 현저하게 감소하는데, 이때 발생하는 급격한 에너지 및 전력 감소는 안정성 문제로 이어졌다. 또 현재까지의 극저온 에너지 수확 및 저장장치에 관한 연구는 초기 단계여서 성과가 미비한 상황이다.
 

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▲  (a, b) Cotton fiber에 결합된 핵심 나노입자의 몰포로지 (c, d) 온도변화에 따른 Cyclic Voltammetry (CV) 및 충방전 커브 (e) 온도변화에 따른 PTNG 출력 전압의 변화 추이 (f) 온도변화에 따른 SC의 정전용량 변화 추이 온도가 상온에서 극저온 (영하 80도)까지 변하더라도 전기에너지 출력 전압의 변화가 거의 일어나지 않고 SC 정전용량도 유지되는 것을 볼 수 있음. / 그림설명 및 그림제공: 공주대학교 임진형 교수
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이에 연구팀은 극저온 환경에서 기존 전기에너지 저장장치를 사용하는 데 있어 큰 장애로 여겨졌던 저온에서의 낮은 전하 이동도와 안정성 문제에 대한 해결책을 제시, 극한 온도에서도 활용 가능한 새로운 자가 충전 에너지 저장장치 시스템을 제안했다.

연구팀은 "시스템의 주 전극 재료로 사용된, 개질된 사이클로덱스트린계 핵심 소재가 화학적으로 안정적이면서 고효율로 동작할 수 있는 조성영역을 탐색했다"면서 "실험 결과 영하 80도에서도 안정적으로 무선 신호를 발생하는 자가 구동형 소자를 시연할 수 있었다"고 설명했다. 

나아가 '자가 구동형 소자'가 적용된 시스템은 웨어러블 장치로도 활용할 수 있어 일반적인 인간의 움직임에 의해 구동되는 에너지 수확·저장 기능의 수행도 가능할 것으로 기대하고 있다. 

연구진은 "이번 연구를 통해 개발된 전기에너지 발생·저장 소자는 극저온에서는 좋은 성능을 보이지만, 동작 온도의 범위를 확대한 극한계 온도(영하 200도~ 영상 200도) 영역에서 동작하는 기능이 필요하다"며 "후속 연구를 통해 관련 연구를 계속 진행할 계획"이라고 설명했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업과 지역대학 우수과학자의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 <케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)>에 2월 15일자로 게재됐다.