국내 연구진이 차세대 에너지 저장장치 등에 응용할 수 있는 고품질의 3차원 ‘다공성 그래핀 나노볼’을 친환경적으로 대량생산하는 기술을 개발했다. 에너지 저장 효율이 중요한 차세대 전지, 하이브리드 자동차 등의 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
울산과학기술대학교(UNIST) 친환경에너지공학부 장지현 교수 연구팀(제1저자 이정수, 김선이 박사과정 연구원)이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 지원하는 기초연구실 지원 사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 미국화학회가 발행하는 나노분야 학술지 ACS Nano 6.20일자 온라인판에 게재됐다.
(논문명 : Chemical Vapor Deposition of Mesoporous Graphene Nano-Balls for Supercapacitor)
기존의 흑연에 강산(Acid)과 산화제를 이용해 그래핀을 제조하는 화학적 방식은 대량생산이 가능하나, 유독하고 그래핀의 우수한 전기전도도 재현에 한계가 있었다.
반면, 최근 주목받고 있는 화학기상증착기법*을 활용한 그래핀 제조 방식은 우수한 전도도 등 고품질의 그래핀을 합성할 수는 있으나, 유독 가스를 사용할 뿐만 아니라, 대량생산이 어렵다는 단점이 있다.
* 화학기상증착기법(CVD, Chemical Vapor Deposition) : 에너지를 받아 반응성이 높아진 기체가 기판 위에 흡착ㆍ퇴적되는 원리를 이용해 박막을 만드는 방법으로 구리, 아연 등의 금속 필름 위에 고온의 가스를 반응시키면 필름 표면 위에 그래핀이 형성됨
연구팀은 유독한 가스나 화합물 없이 고분자와 금속이온만을 이용한 제조기술을 개발하여 3차원 다공성 그래핀 나노볼*을 친환경적으로 대량 합성하는데 성공했다.
* 다공성 그래핀 나노볼(Mesoporous Graphene Nanoball) : 전기전도성이 좋은 그래핀을 다수의 기공(구멍)을 갖는 나노 수준의 구형 형태로 제작한 것으로 표면적이 넓어져 여러 가지 반응의 효율이 높아짐
다공성 그래핀 나노볼의 제조방법은 다음과 같다. 구형의 고분자 물질 표면에 금속이온을 고르게 도포한 후, 화학기상증착기법을 실행한다. 그러면 고온에서 고분자 표면의 금속이온들이 고분자 내부로도 침투하여 금속으로 바뀌고, 울퉁불퉁한 금속구의 표면에서 그래핀이 자란다. 마지막으로 금속을 제거하면 구멍이 많은 구형의 그래핀만 남게 된다.
다공성 그래핀은 표면적이 넓어 반응성이 좋고, 평면 그래핀의 우수한 전기전도도도 그대로 유지되며, 분말 상태로도 만들 수 있어 앞으로의 활용 폭이 매우 넓다.
대량생산이 가능한 다공성 그래핀 나노볼은 차세대 에너지 저장장치인 슈퍼커패시터의 전극 소재로서 최적이다.
용액 이온 반응으로 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터*의 효율을 높이기 위해서는 전기전도도가 우수하고, 표면적이 넓은 전극이 필요하다.
* 슈퍼커패시터 : 전극과 전해질 계면에서의 이온 이동 또는 표면 화학반응으로 충ㆍ방전을 하는 장치로 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용할 수 있는 장치로 급속 충ㆍ방전이 가능하며 높은 효율과 반영구적인 수명 때문에 차세대 에너지 저장장치로 주목
이러한 특성을 모두 가지고 있는 다공성 그래핀 나노볼을 슈퍼커패시터의 전극소재로 적용한 결과, 기존 대비 2배의 성능을 나타냈고, 장시간 사용에도 성능저하가 거의 없었다.
장지현 교수는 “다공성 그래핀 나노볼은 뛰어난 특성으로 슈퍼커패시터 외에 다양한 장치에 활용 가능하다”면서, “삼차원 그래핀의 친환경적 대용량 제조방법으로 고출력ㆍ고효율 에너지 저장 시대를 앞당기는데 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
