▲ 팔에 부착한 슈퍼커패시터의 작동 시연 / 개발된 슈퍼커패시터를 팔에 부착하고 팔꿈치를 0도, 30도, 60도, 90도로 구부린 상태에서 LED를 점등시킨 모습. 모든 구부림 각도에서 LED가 밝은 빨간색으로 정상 작동하여, 신체 움직임에도 안정적으로 전원을 공급함을 보여준다.(그림 및 설명=서울시립대학교 윤진환 교수)   © 특허뉴스

몸에 밀착되는 웨어러블 기기의 가장 큰 난제였던 ‘전원 문제’가 풀리고 있다. 피부에 붙여도 불편함이 없고, 크게 늘어나도 성능이 유지되는 ‘늘어나는 전원’이 등장하며 차세대 전자피부·착용형 센서의 실용화에 속도가 붙을 전망이다.

한국연구재단은 서울시립대학교 윤진환 교수 연구팀이 원래 길이의 4배까지 늘려도 저장 용량이 거의 감소하지 않는 고신축성 슈퍼커패시터를 개발했다고 밝혔다. 이번 성과는 신체 움직임에 따라 자유롭게 변형되면서도 안정적으로 작동하는 전원을 구현했다는 점에서, 웨어러블 전자기기 상용화의 전환점으로 평가된다.

피부 부착형 건강 센서와 전자피부 기술은 빠르게 발전해 왔지만, 전원 장치는 여전히 딱딱하고 변형에 취약해 착용감을 해치고 움직임을 제한하는 한계가 있었다. 슈퍼커패시터는 수초 내 고속 충·방전이 가능하고 반복 사용에도 성능 저하가 적어 웨어러블 전원으로 적합하지만, 늘어날수록 저장 용량이 급격히 감소하는 문제가 난제로 남아 있었다.

연구팀은 이 한계를 전극 설계와 접착 구조라는 두 축의 혁신으로 돌파했다. 먼저 망간 산화물, 탄소나노튜브, 전도성 고분자를 말랑한 실리콘 고무에 혼합해 유연한 전극을 만들고, 인산 처리를 통해 망간 산화물을 머리카락 굵기의 1만 분의 1 수준인 바늘형 나노 구조로 변환했다. 이 구조는 전극이 늘어날 때도 전도 경로가 끊기지 않도록 서로 연결되며 전기 흐름을 유지한다.

여기에 강력한 접착력을 갖는 특수 젤을 결합했다. 양·음전하를 동시에 지닌 분자를 활용해 만든 젤에 자외선을 조사하면 전극과 젤 사이에 화학 결합이 형성돼, 1만 번의 반복 신축에도 분리되지 않는 안정성을 확보했다. 전극과 전해질의 계면 문제를 근본적으로 해결한 셈이다.

그 결과, 개발된 슈퍼커패시터는 300% 신장 상태에서도 저장 용량의 95% 이상을 유지했다. 이는 기존 기술을 크게 상회하는 세계 최고 수준의 성능이다. 실제로 팔에 부착한 상태에서 굽힘 동작 중에도 정상 작동했으며, 스마트폰 기반 무선 충전 역시 가능함을 입증했다.

윤진환 교수는 “이번 기술은 피부에 직접 부착하는 전자피부를 비롯해 재활 치료용 웨어러블, 가상현실 촉각 슈트 등 고신축성과 안정성을 동시에 요구하는 응용 분야를 여는 핵심 전원 기술”이라며 “착용형 전자기기의 사용성을 근본적으로 바꿀 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구의 성과는 에너지 재료 분야 최상위 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'에 1월 7일 온라인 게재됐다.

논문명은 Highly intrinsically stretchable microsupercapacitor achieved by a post-growth-engineered electrode and zwitterionic ionogel electrolyte이다.