빠른 충·방전과 높은 안정성을 갖춘 ‘슈퍼커패시터’는 고출력이 요구되는 자동차, 로봇, 통신장비 등에서 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다. 기존 이차전지보다 훨씬 높은 출력밀도를 지녀 전력 변동이 큰 신재생 에너지 시스템이나 순간적인 고출력이 필요한 전자기기에서 배터리의 한계를 보완할 수 있는 기술로 평가된다. 다만, 에너지 저장 능력을 높이기 위한 전극 소재 개발이 여전히 핵심 과제로 남아 있었다.

기존에는 탄소 소재에 금속을 결합해 성능을 개선시키는 연구가 이뤄져 왔다. 그러나, 고온 공정에서 금속 입자가 서로 뭉쳐 성능이 떨어지는 문제가 발생했다. 에너지를 저장할 수 있는 활성 면적이 줄어들고, 장기간 사용 시 안정성 또한 떨어지는 한계가 나타난 것이다.

이같은 슈퍼커패시터의 문제점을 해결하기 위해 전북대학교 김정길 교수(이차전지공학과)와 길명섭 교수(유기소재섬유공학과) 연구팀이 ‘감마선 조사’ 기술을 도입했다.

연구팀은 탄소나노섬유 표면에 코발트 금속을 도입한 뒤 감마선을 조사해, 탄소와 코발트가 균일하게 결합된 나노구조 전극 소재를 구현했다. 그 결과, 작은 막대 형태의 탄소·코발트 구조가 균일하게 성장하며 전자의 이동이 원활한 결합 구조가 형성됐고, 이는 고성능 슈퍼커패시터 전극을 형성했다.

특히 감마선 조사량을 조절함으로써 하나의 소재를 양극과 음극 모두에 최적화해 활용할 수 있는 가능성도 확인했다. 개발된 전극은 높은 출력밀도와 에너지 밀도를 동시에 달성했으며, 2만 회 이상의 충·방전 이후에도 초기 용량의 97%를 유지해 장기 안정성까지 입증했다.

이번 연구성과는 글로컬대학30 사업 추진의 일환으로 미래 첨단 산업 수요에 대응하기 위해 올해 신설한 ‘이차전지공학과’의 값진 성과로도 주목받고 있다. 전북대는 지난해 이차전지공학과를 신설하고 올해부터 정원 30명 규모로 운영을 시작했다. 이를 통해 에너지 저장 소재, 전극 설계, 시스템 응용까지 아우르는 교육과 연구를 통해 이차전지 분야를 선도할 전문 인재 양성을 목표로 하고 있다.

김정길 교수는 “감마선 조사 공법이 단순한 표면 처리 기술을 넘어, 탄소와 금속 간 미세 구조와 계면 결합을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준 사례”라며 “섬유공학과 이차전지공학의 융합을 통해 에너지 저장 메커니즘과 소재 설계를 동시에 고도화한 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 복합재료 분야 세계적 학술지 'Composites Part B: Engineering(IF=14.2, 상위 0.3%)'에 게재됐으며, 이차전지공학과 채수형 박사가 제1저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. /김재훈 기자