국립공주대 신소재공학과 임진형 교수 연구팀 '슈퍼커패시터 전극 기술' 개발... 반복 충·방전에도 안정적

전도성 고분자-SiO₂ 하이브리드 구조 구현…고내구성 전극 소재 설계 가능성 제시

국립공주대 신소재공학과 임진형 교수(왼쪽)와 제1저자인 김종윤 석사과정생 (사진=국립공주대 제공)

국립공주대학교 신소재공학과 임진형 교수 연구팀이 반복적인 충·방전에도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 슈퍼커패시터 전극 기술을 개발했다.

연구팀은 전도성 고분자와 실리카(SiO₂)를 메조기공 내부에서 함께 형성하는 하이브리드 구조를 구현해 전도성 고분자의 구조적 안정성을 높이고, 반복적인 충·방전에 따른 성능 저하를 줄였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업(No. RS-2024-00335799) 지원을 받아 수행됐으며, 화학공학 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 1일 온라인 게재됐다.

슈퍼커패시터는 전극과 전해질의 계면에서 이온을 흡착하거나 빠른 산화·환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 장치다. 충·방전 속도가 빠르고 반복 사용이 가능해 장기간 안정적으로 사용할 수 있는 전극 소재 개발이 중요하다.

특히 전도성 고분자는 전하 저장 성능이 우수하지만 충·방전 과정에서 팽창과 수축이 반복되면서 구조가 변형되고 성능이 떨어질 수 있다.

연구팀은 이를 개선하기 위해 규칙적인 메조기공 구조를 가진 메조다공성 실리카(SBA-15) 내부에 동적 증기상 중합(D-VPP) 기술을 적용했다. 이를 통해 기공 안에서 전도성 고분자와 SiO₂가 함께 형성되는 하이브리드 구조를 구현했다.

D-VPP 공정을 통해 메조기공 내부에 형성된 전도성 고분자-SiO₂ 하이브리드 구조 모식도. (사진=국립공주대 제공)

형성된 SiO₂는 기공 내부에서 전도성 고분자의 성장을 조절하고, 기공 벽을 따라 만들어진 전도성 고분자-SiO₂ 계면을 안정화하는 역할을 했다. 이에 따라 반복적인 산화·환원 과정에서 발생하는 구조 변형을 완화하는 동시에 이온 이동에 필요한 메조기공 구조를 유지할 수 있었다.

연구팀은 전도성 고분자와 SiO₂를 메조기공 내부에서 함께 형성한 하이브리드 구조가 전도성 고분자의 안정성을 높이고 반복 충·방전에 따른 성능 저하를 줄이는 데 효과적임을 확인했다. 이를 바탕으로 고내구성 슈퍼커패시터 전극을 위한 소재 설계 전략을 제시했다.

임진형 교수는 "2011년부터 증기상 중합을 이용한 전도성 고분자-SiO₂ 하이브리드 소재를 연구하며 박막에서 다공성 구조와 입자 소재로 연구 영역을 넓혀왔다"며 "이번 연구는 축적해 온 증기상 중합 기술을 규칙적인 메조기공 내부로 확장해 전도성 고분자의 구조적 안정성과 장기 전기화학적 성능을 높였다는 데 의미가 있다"고 말했다.

제1저자인 김종윤 석사과정생은 "이번 연구에서 확인한 메조기공 내 전도성 고분자의 구조 안정화 효과를 바탕으로 후속 연구에서는 전도성 메조다공성 탄소 소재로 연구 범위를 넓힐 계획"이라며 "다양한 온도 환경에서의 전하저장 거동과 장기 안정성을 규명하겠다"고 말했다.

이번 연구는 향후 전도성 고분자 기반 에너지저장 소재의 내구성을 높이는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


공주=고중선 기자