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나노튜브+잉크+종이=배터리? Inven.Discov.Tech.



일반적인 종이를 탄소 나노튜브(carbon nanotube)와 실버 나노와이어(silver nanowire)가 우러날 수 있는 잉크에 담가두면 배터리 또는 초고용량 캐퍼시터(supercapacitor)로 전환될 수 있으며, 이러한 종이는 구겨지더라도 여전히 원래의 기능을 유지하게 된다. 미국 스탠퍼드 대학(Stanford university) 재료공학부 조교수인 Yi Cui를 주축으로 하는 연구진은 전기를 저장하는 새로운 방식이 개발하는 데 성공했다.

스탠퍼드 연구진은 나노기술을 이용하여 일상생활에서 사용되는 종이로 초경량의 구부릴 수 있는 배터리와 초고용량 캐퍼시터를 신속하게 제조할 수 있을 것으로 전망했다. 탄소 나노튜브와 실버 나노와이어로 만들어진 잉크로 단순하게 종이를 코팅하는 방법을 이용하여 높은 전도성을 가지는 저장 장치를 만들 수 있다고 Cui는 밝혔다.

Cui는 사회가 배터리와 단순한 초고용량 캐퍼시터 같은 저비용의 고성능 에너지 저장 장치(energy storage device)를 절실하게 요구하고 있다고 밝혔다. 배터리와 캐퍼시터 같은 장치는 전하(electric charge)를 보유하지만 그 지속시간이 짧다. 그러나 캐퍼시터는 배터리보다 더 신속하게 전기를 방출하고 저장할 수 있다.

Cui의 연구는 2009년 12월 둘째 주 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 "에너지 저장 장치를 위한 전도성이 뛰어난 종이(Highly Conductive Paper for Energy Storage Devices)" 라는 제목의 논문으로 발표됐다.

이 나노재료는 매우 작은 직경의 1차원 구조를 갖는 특별한 물질이라고 Cui는 밝혔다. 작은 직경은 섬유 조직을 이루는 종이에 나노재료 잉크가 강력하게 부착되는 것을 도와주고, 배터리와 초고용량 캐퍼시터의 내구성을 강화시킨다. 종이로 이루어진 초고용량 캐퍼시터는 리튬 배터리보다 최소한 동일한 크기에서 40,000 충전-방전 주기를 지속할 수 있다. 또 나노재료는 일반적인 도체보다 훨씬 더 효율적으로 전기를 이동시키기 때문에, 이상적인 도체를 만들어낸다고 Cui는 지적했다.

이전에 Cui는 플라스틱을 이용하여 나노재료 에너지 저장 장치를 제조했다. 그의 새로운 연구는 잉크가 종이에 더 강력하게 부착되기 때문에 종이 배터리(paper battery)가 더 큰 내구성을 갖는다는 사실을 보여 주었다. 게다가 종이 배터리는 구기거나 접을 수 있으며, 심지어는 산성 용액과 기본 용액에 담가도 상관없으며 수행력 역시 감퇴되지 않는다. Cui의 연구진이 아직까지 종이 배터리를 태웠을 때 어떤 일이 일어나는지는 실험하지 않았다고 밝혔다.

종이의 유연성(flexibility)은 수많은 영리한 응용을 가능하게 한다. 만약 전도성 에너지 저장 장치로 벽을 칠하기를 원한다면 브러시를 이용하면 된다고 Cui는 밝혔다. Cui의 연구실에서 그는 배터리에 발광 다이오드(LED; light-emitting diode)를 연결하여 밝은 빛을 내는 것을 실험을 통해 보여 주었다.

종이로 된 초고용량 캐퍼시터는 전기를 신속하게 전달할 필요가 있는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 같은 응용 분야에도 유용하다. 종이 초고용량 캐퍼시터의 높은 표면적은 많은 장점을 제공한다.

이 기술은 짧은 시간 내에 상업화될 가능성을 지니고 있다고 미국 캘리포니아 주립대학 버클리 캠퍼스(University of California-Berkeley) 소속의 화학과 교수인 Peidong Yang 교수는 밝혔다. 새로운 방법은 비용이 저렴할 뿐 아니라 매우 우수하고 어떤 전자제품에도 융통성이 있는 전극이 될 수 있다고 Yang 교수는 밝혔다.

Cui는 가장 큰 영향은 송전 계통에 대한 대규모 전기 저장 분야에 끼칠 것이라고 예측했다. 예를 들면 야간에 발생하는 여분의 전기는 주간 동안의 최대 전기 사용 시간을 위해 비축해둘 수 있다.

이러한 종이에서 가장 중요한 것은 일상생활에서 단순한 공정을 이용하여 기능적인 전도성 전극을 만들기 위한 기판으로 얼마나 단순하게 이용될 수 있는가라고 Yang은 지적했다. 새로운 종이 배터리 기술은 일상생활과 관련이 있는 나노기술이라고 Yang은 덧붙였다.

Cui의 연구에 박사후 과정인 Liangbing Hu와 JangWook Choi, 석사과정 Yuan Yang 등이 참여했다.

At Stanford, nanotubes + ink + paper = equal instant battery

Dip an ordinary piece of paper into ink infused with carbon nanotubes and silver nanowires, and it turns into a battery or supercapacitor. Crumple the piece of paper, and it still works. Stanford researcher Yi Cui sees many uses for this new way of storing electricity.


Jack Hubbard

Post doctoral students in the lab of Prof. Yi Cui, Materials Science and Engineering, light up a diode from a battery made from treated paper, similar to what you would find in a copy machine. The paper batteries are treated with a nanotube ink, baked and folded into electrical generating sources like the one wrapped in foil seen here.

Stanford scientists are harnessing nanotechnology to quickly produce ultra-lightweight, bendable batteries and supercapacitors in the form of everyday paper.

Simply coating a sheet of paper with ink made of carbon nanotubes and silver nanowires makes a highly conductive storage device, said Yi Cui, assistant professor of materials science and engineering.

"Society really needs a low-cost, high-performance energy storage device, such as batteries and simple supercapacitors," he said.

Like batteries, capacitors hold an electric charge, but for a shorter period of time. However, capacitors can store and discharge electricity much more rapidly than a battery.

Cui's work is reported in the paper "Highly Conductive Paper for Energy Storage Devices," published online this week in the Proceedings of the National Academy of Sciences.

"These nanomaterials are special," Cui said. "They're a one-dimensional structure with very small diameters." The small diameter helps the nanomaterial ink stick strongly to the fibrous paper, making the battery and supercapacitor very durable. The paper supercapacitor may last through 40,000 charge-discharge cycles – at least an order of magnitude more than lithium batteries. The nanomaterials also make ideal conductors because they move electricity along much more efficiently than ordinary conductors, Cui said.

L.A. Cicero

Bing Hu, a post-doctoral fellow, prepares a small square of ordinary paper to with an ink that will deposit nanotubes on the surface that can then be charged with energy to create a battery.

Cui had previously created nanomaterial energy storage devices using plastics. His new research shows that a paper battery is more durable because the ink adheres more strongly to paper (answering the question, "Paper or plastic?"). What's more, you can crumple or fold the paper battery, or even soak it in acidic or basic solutions, and the performance does not degrade. "We just haven't tested what happens when you burn it," he said.

The flexibility of paper allows for many clever applications. "If I want to paint my wall with a conducting energy storage device," Cui said, "I can use a brush." In his lab, he demonstrated the battery to a visitor by connecting it to an LED (light-emitting diode), which glowed brightly.

A paper supercapacitor may be especially useful for applications like electric or hybrid cars, which depend on the quick transfer of electricity. The paper supercapacitor's high surface-to-volume ratio gives it an advantage.

"This technology has potential to be commercialized within a short time," said Peidong Yang, professor of chemistry at the University of California-Berkeley. "I don't think it will be limited to just energy storage devices," he said. "This is potentially a very nice, low-cost, flexible electrode for any electrical device."

Cui predicts the biggest impact may be in large-scale storage of electricity on the distribution grid. Excess electricity generated at night, for example, could be saved for peak-use periods during the day. Wind farms and solar energy systems also may require storage.

"The most important part of this paper is how a simple thing in daily life – paper – can be used as a substrate to make functional conductive electrodes by a simple process," Yang said. "It's nanotechnology related to daily life, essentially."

Cui's research team includes postdoctoral scholars Liangbing Hu and JangWook Choi, and graduate student Yuan Yang.

Janelle Weaver is a science-writing intern at the Stanford News Service.





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