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전자현미경으로 촬영한 슈퍼커패시터.  휴대전화의 배터리를 대신할 수 있는 티셔츠가 개발됐다.
미국 조지아공대 소재공학과 왕종린 교수와 삼성종합기술원 김종민 전무 공동 연구팀은 섬유 기반의 차세대 에너지 저장장치인 ‘슈퍼커패시터’를 개발해 국제화학학술지 ‘앙게반테 케미’ 온라인판 14일자에 발표했다. 슈퍼커패시터는 고효율 축전지로 전기 회로에서 전력을 모았다가 필요에 따라 방출하는 충전지 역할을 한다.
연구팀은 산화아연으로 만든 직경 500~700nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)인 전선을 이용한 고효율 섬유기반 슈퍼커패시터를 개발했다. 이 슈퍼커패시터는 철봉을 소용돌이 모양의 전선이 휘감고 있는 형태로 이뤄져 있다.
철봉 부분은 전극의 한 쪽으로 방탄조끼의 재료로 쓰이는 고강력 섬유 ‘케블라’로 이뤄졌다. 케블라에는 금이 코팅된 산화아연 나노전선이 수없이 박혀있다. 이를 휘감고 있는 직경 220㎛(마이크로미터‧1㎛는 100만분의 1m)의 가늘고 유연한 플라스틱 전선이 다른 한 전극을 담당한다. 플라스틱 전선의 표면에도 산화아연 나노전선이 무수히 많이 자란다.
나노전선을 자라게 하는 ‘수열합성법’은 전해질 용액에 전극으로 쓰일 기판을 넣고 산화아연을 뿌린 뒤 온도를 90도 정도로 가열하는 방식이다. 연구팀은 플라스틱 전선이나 고강력 섬유 등 어떤 기판에서든 자라는 산화아연 나노전선을 만들어냈다. 산화아연 나노전선이 많이 자랄수록 전기에 반응하는 표면적을 높여 슈퍼커패시터의 효율이 높아진다.
전체가 5mm 정도 크기인 섬유 기반 슈퍼커패시터는 생체에 적합해 티셔츠나 셔츠 형태의 옷으로 만들 수 있다. 연구팀은 섬유 나노 발전기가 장착된 슈퍼커패시터가 작은 자극으로도 섬유 안에서 전류를 발생시킬 수 있다고 밝혔다. 착용자의 심장 박동이나 발걸음, 가벼운 바람도 산화아연 나노전선이 전류를 일으키기에 충분하다는 설명이다.
섬유 슈퍼커패시터는 빠른 속도로 충전되며 계속해서 재충전이 가능하다. 게다가 섬유 기반이라 유연하면서 가볍기 때문에 앞으로 소형 전자기기의 크기를 더 작게 만들 수 있다. 연구팀은 “‘전력 셔츠’, ‘전력 티셔츠’ 형태로 휴대전화나 독소를 감지하는 작은 센서 등 소형 전자기기에서 전류를 운반하는 데 쓰일 것”이라고 전망했다.
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