한밭대–치앙마이대, 고속 충전 슈퍼커패시터 개발

사진 왼쪽부터 한밭대 최윤석 교수,치앙마이대 모나 교수

국립한밭대학교 전자공학과 최윤석 교수 연구팀이 태국 치앙마이대학교 연구진과의 국제 공동연구를 통해 빠른 충전이 가능한 차세대 슈퍼커패시터를 개발했다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 『Energy Nexus』(Impact Factor 9.5)에 ‘Enhanced energy storage performance of Cu₂SnS₃@rGO electrode in pouch-type asymmetric supercapacitors’라는 제목으로 지난 3월 게재됐다.

슈퍼커패시터는 기존 배터리에 비해 에너지 저장량은 적지만, 충·방전 속도가 빠르고 출력과 수명이 길어 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 그러나 성능 향상을 위해 활용되어 온 구리-주석 화합물은 충·방전 과정에서의 부피 팽창과 낮은 전기전도성, 짧은 수명 등의 한계를 지녀 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 그래핀(산화그래핀)을 활용한 새로운 복합 소재(Cu₂SnS₃@rGO)를 개발했다. 미세한 꽃 모양의 구리-주석 나노 입자를 얇은 그래핀 시트 사이에 균일하게 분산시키는 방식이다.

그래핀은 전기 전도도를 향상시키는 동시에 충전 과정에서 발생하는 부피 팽창을 억제하는 완충 역할을 수행해 기존 소재의 단점을 효과적으로 보완했다. 연구진은 해당 소재를 전극으로 적용한 파우치형 슈퍼커패시터를 제작해 높은 에너지 저장 용량과 출력 밀도, 긴 수명을 확인했다. 특히 LED 전구 구동 실험을 통해 실제 전자기기 적용 가능성도 입증했다.

이번 연구는 2019년부터 이어져 온 양 대학 간 ‘글로벌 문제해결형 학습(Global Project Based Learning, 글로벌 PBL)’ 프로그램의 성과라는 점에서도 의미가 크다. 해당 프로그램은 다국적 학생과 연구진이 협력해 지역 문제 해결과 공학적 설계를 수행하는 창의융합형 교육 과정이다.

양 대학은 현재까지 총 5회에 걸쳐 글로벌 PBL 프로그램을 운영하며 국제 협력과 연구 교류를 지속해 왔다. 이러한 장기적인 협력 기반이 이번 대형 공동연구로 이어졌다는 평가다.

최윤석 교수는 “구리와 주석처럼 비교적 저렴한 소재를 활용해 기존 배터리 기술의 한계를 극복했다는 점에서 의미가 크다”며 “글로벌 PBL을 통해 구축한 국제 연구 네트워크가 이번 성과의 밑거름이 됐다”고 밝혔다. 이어 “앞으로도 글로벌 리더십을 갖춘 인재 양성과 융합 연구를 지속해 나가겠다”고 덧붙였다.

한편, 글로벌 PBL 프로그램은 국립대학육성사업의 지원을 받아 운영되고 있으며, 이번 논문 게재는 양 대학 간 지속적인 국제교류의 대표적인 성과로 평가된다. 향후에도 공동 연구와 프로젝트 확대를 통해 교육과 연구를 아우르는 모범적인 국제 협력 모델로 발전할 것으로 기대된다.