가지에 달린 잎에서 영감받은 슈퍼축전기 전극 설계 - Jonathan Sarfati 글, 이종헌 역

가지에 달린 잎에서 영감받은

슈퍼축전기 전극 설계

 

Jonathan Sarfati 글, 이종헌 역

출처: creation magazine Vol. 41(2019), No. 2 p. 19

 

 

 

축전기(capacitor)는 두 개의 평행 판에 반대 전하를 띄게 하여 에너지를 저장하는 전기 소자이다. 판의 면적이 클수록, 그리고 판 사이의 거리가 작을수록 정전 용량(전하 저장 능력)이 커진다. 슈퍼축전기는 판 사이의 간격을 1 나노 미터(1미터의 10억분의 1) 미만이 되게 함으로써 매우 높은 정전 용량을 달성한다.

 

가지와 잎의 설계는 중공의 원통형 탄소 나노 튜브(‘가지’)와 그래핀으로 만든 날카로운 꽃잎 모양의 구조(‘잎’)의 배열로 구성된다. 인용: UCLA Engineering. 참고문헌 1로부터.

(역주: 그래핀 = 연필심으로 쓰이는 흑연 즉 ‘그래파이트(graphite)’와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’를 결합하여 만든 용어이다. 2차원 평면형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.)

 

슈퍼축전기는 아직 최고 좋은 배터리만큼의 저장 용량을 가지고 있지는 않다. 그러나 훨씬 빠르게 충전 및 방전을 할 수 있으며, 수백만 번의 충전/방전 반복 후에도 성능을 유지할 수 있다. 따라서, 예를 들면 하이브리드 자동차에 사용되는 회생 제동(regenerative braking)에 이용하면 매우 좋다.

 

지금은 UCLA Henry Samueli 공학 및 응용과학부와 4개의 다른 대학에서 몇 명의 연구자들이 훨씬 더 강력한 슈퍼축전기를 만들었다.(1) 그들은 나무의 설계에서 영감을 얻어 전극의 표면적을 크게 늘려서 그것을 만들었다.(2) 가지와 잎의 적절한 배열 때문에, 잎들은 광합성에 필요한 이산화탄소를 흡수하기 위해 매우 큰 표면적을 갖는다.

 

전극을 위해서는 탄소로 만들어진 두 개의 비교적 새로운 특수 구조를 사용했다. ‘가지’에 대해서는: 탄소 나노 튜브를 사용했는데, 이것은 지름이 20에서 30나노미터 밖에 안되는 중공 튜브이며; ‘잎’에 대해서는: 그래핀을 사용했는데, 이것은 6각형 격자 속에 탄소 원자로 된 단일 층의 얇은 판으로써, 이것도 역시 전극을 안정화시켰다. 그들이 만든 슈퍼축전기는 같은 질량의 다른 탄소 기반 축전기보다 정전 용량이 30% 더 많으며, 주어진 면적에 대해서는 정전 용량이 30배이다. 그리고 충전을 교환할 수 있는 넓은 면적으로 인해 그들의 설계는 10배 더 많은 전력을 생산했다. 또한 그것은 10,000 회 이상의 반복 충전 이후에도 용량의 95%를 유지했으며 산성 및 고온 환경 모두에서 잘 작동했다.

 

새로운 슈퍼축전기에 있는 도관의 미세 구조 다이어그램을 실제 잔가지 및 잎과 비교. 도관 속에서 ‘잔가지’는 탄소 나노 튜브(CNT)이고 ‘잎’은 그래핀 꽃잎(GP)이다. 참고문헌 2에서.

 

탄소 마이크로 화이버에 있는 CNT 마이크로 도관의 전자현미경 사진을 확대한 것. 오른쪽 아래의 기준자(scale bar)는 10μm이다. 참고문헌 2에서.

 

팀의 리더인 UCLA의 기계 및 항공우주공학 교수인 팀 피셔(Tim Fisher)는 다음과 같이 말했다:

 

우리는 종종 자연에서 영감을 얻는데, 식물은 그들의 환경에서 이산화탄소와 같은 화학 물질을 흡수하는 가장 좋은 방법을 발견했습니다. 이 경우 우리는 그 아이디어를 사용했지만 실제로는 크기가 약 1백만 분의 1 정도로 훨씬 더 작은 규모입니다.(1)

 

이 엔지니어들은 훌륭한 설계를 했지만, 그들 스스로 인정한 바에 의하면, 그들의 설계는 단순한 복제일 뿐이다. 그렇다면 태양을 만드시기 하루 전날 창조주간의 제3일에 녹색 식물을 만드신, 원본의 설계자(3)에게 훨씬 더 많은 공로를 돌려드려야 하지 않을까?

 

 

References and notes(참고문헌 및 주석)

 

1. UCLA Henry Samueli School of Engineering of Applied Science, Inspired by nature: Design for new electrode could boost supercapacitors’ performance, phys.org, 26 February 2018.

2. Guoping Xiong and six others, Bioinspired leaves-on-branchlet hybrid carbon nanostructure for supercapacitors, Nature Communications 9:790, 2018 | doi:10.1038/s41467-018-03112-3.

3. See many more examples at ‘Scientists copying nature (biomimetics)’, creation.com/biomimetics.