착용형 및 유연한 디바이스의 지속적인 진화는, 다양한 기계적 변형이 발생하는 상황에서도 전력과 에너지 밀도를 유지할 수 있는 내구성 에너지 저장 시스템에 대한 요구를 촉진해 왔다. 다양한 에너지 저장 매체 가운데, 섬유형 고체상 슈퍼커패시터(fiber-type solid-state supercapacitors, FSSCs)는 전통적인 섬유와 유사하게 다양한 구조 형태로 자연스럽게 통합될 수 있는 고유한 능력 덕분에 착용형 에너지 저장에서의 잠재력이 주목받고 있다 [1]. 이러한 맥락에서, 액정(liquid crystalline, LC) 상을 기반으로 한 습식 방사(wet-spinning) 공정으로 제조된 탄소나노튜브 섬유(carbon nanotube fibers, CNTFs)는 뛰어난 전기 전도도, 기계적 견고성 및 타의 추종을 불허하는 유연성을 바탕으로 이상적인 전극 재료로 부상한다 [2]. CNTF의 우수한 물리적 특성은 분명히 매력적이지만, 전기화학적 비활성이라는 점은 FSSC 응용에서 잠재력을 온전히 실현하는 데 있어 지속적인 장애물로 남아 있다. 대부분의 선행 연구는 이를 극복하기 위해 금속 산화물 [3] 및 전도성 고분자 [4]와 같은 활성 물질로 섬유 표면을 변형하여 에너지 저장 자리를 제공하는 방식에 초점을 맞추어 왔다. 이러한 접근은 성공을 거두었음에도 불구하고, 장기 사용 중 활성 물질이 박리되는 문제와, 무엇보다 추가 재료 및 공정이 필요하여 처리 비용이 증가하는 문제가 수반되어 왔다. 본 연구에서는 sp2 탄소 표면의 한계라는 과제를 해결하기 위해, 추가적인 후처리나 활성 물질이 없이도 LC 방사 CNTF의 전기화학적 활성도를 향상시키는 새로운 접근법을 개척하였다. CNT의 후속 LC 상 발달과 전략적 표면 기능화(surfacial functionalization)를 통해, 습식 방사를 위한 전례 없는 고농도 도프(즉, 160 mg/mL)가 구현되었다. 고농도 도프를 활용한 결과, 방사된 직후의 기능화 CNTF(F-CNTF)는 원시 CNTF에 비해 더 정렬되고 치밀하게 포집된 구조를 나타내며, 그에 따라 기계적 및 전기적 특성이 유의하게 향상되었다. 원시 CNTF가 0.5 A/g에서 비정전용량 4.2 F/g을 보인 반면, 물리화학적 특성이 향상된 전기화학적으로 활성화된 F-CNTF는 동일한 충·방전 속도에서 139.4 F/g의 높은 비정전용량을 보였고, 이 모든 과정에서 활성 물질이나 후처리는 전혀 사용되지 않았다. 실용적 적용을 위해, F-CNTF를 사용해 대칭형 FSSC를 섬유(textile)에 통합하고 1.5 V 디지털 시계의 전원으로 사용하였으며, 해당 디지털 시계는 15분 이상 동안 효과적으로 작동하였다. 또한 손목 스트랩에 통합된 F-CNTF FSSC는 접히거나 말리거나 손목에 착용한 상태에서도 전원으로서 효과적으로 기능할 수 있었다. 본 연구는 효율적으로 대량 생산 가능한 섬유형 에너지 저장 전극의 잠재력을 보여줄 뿐 아니라, 기존의 비경제적인 쉬스-코어(sheath-core) 전략에서의 의미 있는 이탈을 제시함으로써 착용형 기술에서 보다 지속가능하고 효율적인 에너지 저장 솔루션으로 나아갈 수 있는 길을 열어준다. [1] A. Fakharuddin, H. Li, F. Di Giacomo, T. Zhang, N. Gasparini, A. Y. Elezzabi, A. Mohanty, A. Ramadoss, J. Ling, A. Soultati, M. Tountas, L. Schmidt-Mende, P. Argitis, R. Jose, M. K. Nazeeruddin, A. R. B. Mohd Yusoff, M. Vasilopoulou, Fiber-Shaped Electronic Devices, Advanced Energy Materials (2021) 11, 2101443 [2] N. Behabtu, C. C. Young, D. E. Tsentalovich, O. Kleinerman, X. Wang, A. W. K. Ma, E. A. Bengio, R. F. Ter Waarbeek, J. J. De Jong, R. E. Hoogerwerf, S. B. Fairchild, J. B. Ferguson, B. Maruyama, J. Kono, Y. Talmon, Y. Cohen, M. J. Otto, M. Pasquali, Strong, Light, MultifunctionalFibers of Carbon Nanotubes with Ultrahigh Conductivity, Science (2013) 339, 182 [3] J.-G. Kim, D.-M. Lee, J. Y. Jung, M. J. Kim, M.-S. Khil, H. S. Jeong, N. D. Kim, Hybrid polyaniline/Liquid Crystalline CNT Fiber Composite for Ultimate Flexible Supercapacitors, ACS Applied Energy Materials (2021) 4, 1130 [4] J.-G. Kim, H. Yu, J. Y. Jung, M. J. Kim, D.-Y. Jeon, H. S. Jeong, N. D. Kim, 3D Architecturing Strategy on the Utmost Carbon Nanotube Fiber for Ultra-High Performance Fiber-Shaped Supercapacitor, Advanced Functional Materials (2022) 32, 2113057
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