몸에 붙이는 ‘고무줄 전원’ 개발… 4배 늘려도 성능 ‘짱짱’

피부에 부착하는 웨어러블 기기의 과제였던 전원 장치의 신축성 문제가 해결될 전망이다. 원래 길이의 4배까지 늘려도 성능 저하가 거의 없는 전원 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 서울시립대학교 윤진환 교수 연구팀이 고신축성 슈퍼커패시터를 개발했다고 밝혔다. 장치는 신축 변형 시 저장 용량이 감소하던 기존 기술의 한계를 보완하고, 웨어러블 기기 상용화에 기여할 기술로 평가받는다.

바늘 모양 전극·특수 젤로 전도성 유지
연구팀은 두 가지 기술을 적용해 문제를 해결했다. 우선 망간 산화물, 탄소나노튜브, 전도성 고분자를 유연한 실리콘 고무 안에 혼합해 전극을 제작했다. 여기에 인산 처리를 더해 망간 산화물을 머리카락 굵기의 1만 분의 1 수준인 미세한 바늘 모양(나노와이어)으로 변형시켰다.

바늘 모양의 구조체들은 실리콘 고무가 늘어날 때 서로 연결되는 그물망 역할을 수행하며 전기가 흐르는 통로를 유지한다. 전극은 물리적 변형에도 전기 전도성을 잃지 않는다.

전극과 전해질 사이의 결합력도 높였다. 연구팀은 양전하와 음전하를 동시에 가진 특수 분자(VIPS)를 이용해 접착력을 지닌 젤을 만들었다. 자외선을 조사하면 전극과 젤 사이에 화학결합이 형성돼 고정된다. 실험 결과 1만 번을 늘렸다 줄여도 전극과 젤은 분리되지 않았다.

300% 늘려도 용량 95% 보전… 상용화 가능성 확인
개발된 슈퍼커패시터는 변형 상황에서도 성능을 유지했다. 원래 길이의 4배인 300%까지 늘어난 상태에서도 저장 용량을 95.4% 보전했다.

내구성도 확보했다. 2배로 잡아당기는 동작을 1만 번 반복한 후에도 초기 용량의 96.2%가 유지됐다. 연구팀은 실제 팔에 부착한 상태에서 90도로 구부리는 동작 중에도 정상 작동함을 확인했으며, 스마트폰 무선 충전 시연에도 성공했다.

윤진환 교수는 “피부에 직접 부착해 생체 신호를 측정하는 전자 피부를 비롯해 가상현실(VR) 촉각 슈트, 재활 치료용 웨어러블 기기 등 신축성이 요구되는 분야의 핵심 부품이 될 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 연구 성과는 에너지 재료 분야 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)' 온라인판에 게재됐다.