김병석 연구실의 핵심 축 중 하나는 기능성 고분자와 나노섬유를 기반으로 한 차세대 에너지 저장 소재 개발이다. 연구실은 폴리아크릴로니트릴(PAN), 리그닌, 피치, 페놀수지 등 다양한 유기 전구체를 활용하여 탄소나노섬유와 다공성 탄소 구조체를 설계하고, 이를 고성능 전극 소재로 전환하는 데 집중하고 있다. 특히 슈퍼커패시터 분야에서 높은 비정전용량, 우수한 출력 특성, 장수명 사이클 안정성을 동시에 확보할 수 있도록 재료의 조성, 미세구조, 전도성을 정교하게 제어하는 접근이 두드러진다. 이 연구는 단순한 탄소화 공정에 머무르지 않고, 금속 산화물·수산화물·황화물 및 MOF 유래 나노구조체를 탄소나노섬유 표면에 복합화하는 방향으로 확장되고 있다. 실제 논문과 학술발표에서는 NiCo-LDH, ZnFe2O4, Ni-Co-S, NiCoMnO2, Co-MOF 등 다양한 전기화학 활성 물질을 나노섬유 전극과 결합해 비대칭 슈퍼커패시터 성능을 향상시키는 연구가 반복적으로 확인된다. 이러한 계층적 코어-셸 구조, 3차원 네트워크 구조, 바인더 프리 전극 설계는 이온 확산과 전자 전달을 동시에 개선하여 고속 충방전 특성을 끌어올리는 데 중요한 역할을 한다. 향후 이 연구는 친환경 전구체와 대면적 공정성을 결합한 실용형 에너지 저장 소재로 발전할 가능성이 크다. 연구실이 수행 중인 활성탄 자립화 및 슈퍼커패시터 성능 고도화 과제, 첨단 모빌리티 소재부품 플랫폼 사업 등은 기초 소재 설계에서 산업 적용까지 연결되는 흐름을 보여준다. 따라서 이 주제는 웨어러블 전자소자, 고출력 전원, 친환경 모빌리티용 저장장치, 유연 에너지 시스템 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있는 연구실의 대표 분야라고 볼 수 있다.

연구실의 또 다른 대표 주제는 바이오매스와 바이오폐기물로부터 고부가가치 탄소소재를 제조하는 친환경 소재 연구이다. 케나프, 한지, 리그닌, 바이오 폐기물 등 재생 가능한 자원을 탄화·활성화하여 미세기공 및 메조기공이 발달한 활성탄소로 전환하고, 이를 슈퍼커패시터 전극이나 센서 재료로 활용하는 연구가 활발하다. 이는 탄소중립과 순환경제 관점에서 매우 중요한 방향이며, 기존 화석자원 기반 탄소소재를 대체할 수 있는 지속가능한 플랫폼 기술로 평가할 수 있다. 연구실의 논문, 특허, 학술발표를 보면 활성화 공정 최적화, 불순물 저감, 기공 구조 제어, 이종원소 도핑, 전기전도성 향상 등 실질적인 성능 향상을 위한 세부 기술이 체계적으로 축적되어 있다. 특히 최근 등록 특허인 슈퍼커패시터 전극용 활성탄 제조방법은 바이오매스 탄화 후 수열 전처리와 세척, 건조를 포함한 공정을 통해 고성능 전극용 활성탄을 제조하는 기술을 다룬다. 또한 활성탄 자립화와 관련된 대형 산학 프로젝트는 파일럿 생산, 공정 스케일업, 사업화 검토까지 포함하고 있어 연구실이 실험실 수준을 넘어 산업 적용형 탄소소재 개발에 집중하고 있음을 보여준다. 이 연구의 장점은 친환경성뿐 아니라 응용 범위의 넓이에 있다. 바이오매스 유래 다공성 탄소는 전기화학 에너지 저장 장치뿐 아니라 전기화학 센서, 흡착재, 촉매 지지체, 전도성 복합재 등으로 활용될 수 있다. 특히 한지 기반 다공성 탄소와 바이오 폐기물 기반 탄소의 센서 응용, 고순도 활성탄의 고전압 안정성 연구 등은 소재의 구조와 기능을 동시에 설계하는 연구실의 역량을 잘 보여준다. 이는 지속가능한 자원 활용과 고성능 소재 개발을 동시에 추구하는 연구실 정체성의 중요한 축이다.

김병석 연구실은 에너지 저장 소재뿐 아니라 유연성과 광학적 특성을 갖는 스마트 섬유소재 연구에서도 뚜렷한 성과를 보이고 있다. 나일론-6 나노섬유, 셀룰로오스 아세테이트, 은 나노와이어, 폴리아닐린, 텅스텐 산화물 등 다양한 유기·무기 복합재를 결합하여 유연하고 투명하며 접힘이 가능한 전극 및 필름을 개발하는 것이 특징이다. 이러한 연구는 기존의 딱딱한 금속 기반 전극이 가지는 한계를 극복하고, 차세대 웨어러블 전자소자와 디스플레이용 소재를 구현하기 위한 기반 기술로 연결된다. 관련 특허를 보면 섬유기반 접힘 투명 전극을 이용한 유연 액정 필름, 폴리아닐린 나노와이어를 포함하는 유연 섬유 투명 전극 등 실제 소자 응용을 염두에 둔 기술이 다수 확보되어 있다. 또한 다수의 국제·국내 발표에서는 WO3, NiO, AgNW, PEDOT:PSS 기반의 전기변색 소자, 투명 전극, 유연 슈퍼커패시터 전극 등이 반복적으로 등장한다. 이는 연구실이 단순한 소재 제조를 넘어서 전기적 성능, 투과도, 기계적 유연성, 반복 굽힘 안정성까지 고려하는 응용지향형 연구를 수행하고 있음을 시사한다. 이 분야는 향후 플렉서블 디스플레이, 전자피부, 웨어러블 센서, 스마트 텍스타일, 경량 전자부품 등으로의 확장이 기대된다. 특히 섬유공학과 고분자공학, 전기화학, 나노소재 설계를 융합하는 연구 방식은 연구실의 학제적 특성을 잘 보여준다. 유연·투명 전극 기술은 에너지 저장 장치와 결합될 때 자가구동형 웨어러블 시스템으로도 발전할 수 있어, 연구실의 스마트소재 및 융합섬유 연구를 대표하는 중요한 주제로 평가된다.