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Research

에너지의 발전과 저장을 한번에, '신개념 투명 배터리' 개발

  • 조회. 553
  • 등록일. 2019.04.23
  • 작성자. 홍보팀

에너지의 발전과 저장을 한번에, '신개념 투명 배터리' 개발
- DGIST 최창순 선임연구원팀, 투명한 그래핀 필름을 활용한 다기능성 투명 에너지 소자 개발
- 에너지 생성 및 자가 충전 기능을 갖춰 향후 전자제품과 피부 부착형 소자 등 다양한 활용이 기대돼

 

▲(왼쪽부터)DGIST 스마트섬유융합연구실 손원경 연구원, 최창순 선임연구원

 

에너지 발전과 저장을 동시에 활용할 수 있는 투명한 배터리 개발로 전자제품과 피부 부착형 소자 등 다양한 활용이 기대된다.

DGIST(총장 국양)는 스마트섬유융합연구실 최창순 선임연구원팀이 투명한 박막형 에너지 소자를 개발했다고 23일(화) 밝혔다. 

최창순 선임연구원팀은 투명한 소자 개발을 위해 ‘단일층 그래핀 필름’을 전극으로 활용했다. 단일층 그래핀 필름은 우수한 전기전도성을 지니는 것이 특징으로, 얇고 가벼워 배터리가 필요한 전자제품에 안성맞춤이다. 여기에 최창순 선임연구원팀은 투명도를 높이고자 반고체 전해질을 함유한 고분자 나노매트를 분리막으로 사용해 풍경과 글자를 선명하게 볼 수 있을 만큼의 투명도(최대 77.4%)를 구현하는데 성공했다.

한 걸음 더 나아가, 최창순 선임연구원팀은 에너지 소자가 자체적으로 에너지를 생성, 저장할 수 있게끔 구조를 설계해 에너지 소자 상층부에 에너지 저장패널, 하층부에 에너지 전환패널을 넣었다. 여기에 터치센서를 상층부 에너지 저장패널 바로 아래에 추가해 터치까지 가능한 에너지 소자를 제작하는데 성공했다.

이번 연구 논문의 교신저자인 DGIST 스마트섬융합연구실 최창순 선임연구원은 “영화에 등장한 투명 휴대폰이 너무 멋져서 관련 연구를 시작하게 됐다”며 “제작단가가 비싸 현재 상용화에는 한계가 있지만, 가시적인 연구 실적이 없던 투명 에너지 저장 매체 분야에서 거둔 성공인 만큼 앞으로 계속해서 발전시켜 나갈 수 있도록 노력하겠다”고 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 DGIST 최창순 선임연구원과 손원경 연구원, 성균관대학교 천성우 연구원이 주도했다. 또한 연세대학교, 한양대학교, 한국생산기술원 등 여러 연구팀과의 공동연구로 진행됐으며, 재료 및 계면 분야저널인 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼 & 인터페이스’(ACS Applied Materials & Interfaces) 온라인판에 게재됐다.

1) 그래핀(Graphene) : 탄소원자로 만들어진 원자크기의 벌집 형태 구조를 가진 소재. 두께가 0.2nm로 얇아서 투명성이 높고, 상온에서 구리보다 100배 많은 전류를 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다.

 

◇연구결과개요◇

Single-Layer Graphene-Based Transparent and Flexible Multifunctional Electronics for Self-Charging Power and Touch-Sensing System
Sungwoo Chun, Wonkyeong Son, Gwangyeob Lee, Shi Hyeong Kim, Jong Woo Park, Seon Jeong Kim, Changhyun Pang, and Changsoon Choi* 
(ACS Applied Materials & Interfaces, published on february 22nd, 2019)

 휴대용 및 웨어러블 전자기기의 응용은 다기능화 되고 있으며 투명한 전자장치의 개발은 웨어러블, 플렉시블 디스플레이 또는 피부 부착형 모바일 컴퓨터와 같은 장치로의 응용을 광범위하게 확장한다. 연구팀은 휴대용 및 웨어러블 전자기기를 구현하기 위한 핵심 기술인 SCPS(Self-Charging Power System)와 터치센서가 결합된 투명하고 유연한 다기능 전자 시스템을 개발했다. 슈퍼커패시터, 터치센서 및 마찰 나노발전기(TENG)용 전극으로 초박형, 경량의 단일층 그래핀 (SLG) 필름을 사용하여 투명하고 유연한 전자 시스템을 개발했다. 
 연구팀이 개발한 전자 시스템은 유연하고 투명하면서 에너지 생성, 에너지 저장, 터치 감지가 가능하여 앞으로 다양한 웨어러블 전자기기에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존에 연구된 에너지 장치에 비해 매우 뛰어난 광학적 투명도를 가지고 있다. 뿐만 아니라 마찰전기 원리를 이용해 에너지를 스스로 만들고, 이를 저장할 수 있으며, 외부 압력을 센싱하는 등 3가지의 기능이 동시에 구현된 다기능성 소자를 개발했다는 것이 기존 연구와의 차별성이다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
투명한 스마트폰 또는 노트북 또는 웨어러블 피부 부착형 장치 등을 구현하기 위한 에너지 공급원으로 활용 가능성이 기대된다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
당장 실용화하기 위해서는 값비싼 재료가 문제로, 특히 단일층 그래핀을 대체할 만한 다른 재료가 필요할 것으로 생각된다. 또한 에너지 저장 성능이 실용화가 가능한 수준에 미치지 못하고 있어 추가적인 연구를 통한 저장 성능 개선이 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
공상과학 영화에서 투명한 스마트폰을 보고나서 관심을 갖고 연구를 시작했다. 투명한 스마트폰이 실현되기 위해서는 투명한 배터리가 반드시 필요하기 때문이다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
기존에는 투명한 에너지 저장 매체에 대한 연구가 거의 전무한 상황에서 투명한 에너지 소자를 성공적으로 구현했다는것에 큰 의미가 있다고 생각한다. 또한 에너지를 생성·저장을 넘어서 센싱까지 가능한 다기능 소자를 개발했다는 부분도 상당히 흥미로운 부분이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
이번에 개발된 다기능성 투명 소자를 시작으로 향후 다양한 투명 소자 및 관련 연구에 초석이 되기를 바란다.

 

그림 설명

[그림 1] 에너지 저장 및 센서 기능의 상단패널과 에너지 생성 기능의 하단패널로 이루어진 다기능성 박막형 투명 소자의 개념도

             
[그림 2] (A) 에너지 저장 기능을 보여주는 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능 그래프, (B) 터치 유무에 따른 정전용량 변화, (C) 압력을 인가함에 따라 최대 135볼트(V)의 전기에너지 발생
 
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