웨어러블 (wearable) 혹은 플렉서블 (flexible) 전자 기기는 이제 우리 일상 어디서나 찾아볼 수 있게 되었다. 이들의 기기들은 벤딩이나 폴더블 같은 기계적 변형에도 작동할 수 있지만, 이를 뒷받침하기 위한 고용량의 에너지 저장 소재를 유연한 기판에 적용하는 것은 항상 어려움이 있었다.

최근 POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 김진곤 교수 · 김건우 박사, 성균관대 기계공학과 김태성 교수 · 나노과학기술학과 통합과정 석현호 씨, 서울시립대 화학공학과 문홍철 교수 연구팀은 열과 플라즈마(plasma)1)를 사용해 메조 다공성 금속 산화물을 유연한 기판에 합성하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.

메조(meso)2) 다공성 금속 산화물은 2~50나노미터(nm) 크기의 구멍을 가진 금속 산화물로, 표면적이 매우 커 이온이나 전자 등 물질을 전달하는 데 유리해 고성능 에너지 저장과 변환, 촉매, 반도체, 센서 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 하지만, 메조 다공성 금속 산화물을 웨어러블 및 플렉서블 기기처럼 잘 휘어지거나 구부러지는 제품에 활용하려면 유연한 플라스틱 기판을 사용해야 한다. 그런데, 플라스틱은 일반적으로 온도에 매우 민감해 고온(350°C 이상)이 필요한 메조 다공성 금속 산화물 합성 공정에 사용할 수 없는 문제가 있었다.

연구팀은 플라즈마를 이용하여 얻은 에너지를 활용하여 150~200°C의 저온에서도 메조 다공성 금속 산화물을 합성하는데 성공했다. 대표적인 고성능 에너지 저장 소재 중 하나인 바나듐 옥사이드(V2O5)를 포함해 여러 메조 다공성 금속 산화물(V6O13, TiO2, Nb2O5, WO3 등)을 유연한 플라스틱 기판에 합성하였다. 이렇게 제조된 메조 다공성 금속 산화물은 수천 번 구부려도 우수한 에너지 저장 성능을 유지함을 확인했다.

연구를 이끈 POSTECH 김진곤 교수는 “다양한 메조 다공성 금속 산화물을 플라스틱 기판에 사용될 수 있는 새로운 저온 합성법을 개발했다”며, “이번 연구를 바탕으로 웨어러블 또는 플렉서블 기기의 에너지 저장 소재, 차세대 센서 등 다양한 애플리케이션에서 혁신을 가져올 것”이라는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 창의후속연구사업, 과학기술분야 기초 연구사업, 나노 및 소재기술개발 사업(나노커넥트) 지원으로 진행됐다.

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*용어설명

1. 플라즈마(plasma) : 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다.

2. 메조(meso) : 나노미터(nm)와 마이크로미터(um) 사이의 규모를 말한다.