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고성능 슈퍼커패시터 구현, 대용량 그래핀 불소도핑 성공으로 앞당긴다

상압 플라즈마 조건하 대용량 불소처리 그래핀 분말 제조법 개발 성공

고성능 슈퍼커패시터 구현, 대용량 그래핀 불소도핑 성공으로 앞당긴다
불소가 도핑된 분말형 그래핀을 활용한 슈퍼커패시터 소재의 충?방전과정 형상화


[산업일보]
슈퍼커패시터는 급속 충전이 가능하고 순간적으로 고출력 전기를 낼 수 있어 전력수요를 관리하는 재생에너지 발전시스템에 주로 활용됐으나, 일반 배터리에 비해 에너지 저장용량이 낮다는 한계가 있었다.

그럼에도 불구하고, 슈퍼커패시터가 갖는 장점 때문에 슈퍼커패시터에 사용되는 전극소재의 합성비용 절감 및 경량화를 위한 비금속소재 개발의 필요성이 꾸준히 요구됐다. 이에 탄소기반 나노소재로서 전기적, 기계적, 물리적, 화학적 특성이 매우 뛰어난 그래핀을 전극소재로 활용한 에너지 저장소자 연구가 전세계적으로 활발히 전개되고 있다.

높은 전기전도도와 넓은 비표면적을 지닌 분말형 그래핀의 에너지 저장능력을 강화하기 위해 불순물을 섞는 도핑공정이 널리 활용된다. 그 동안 분말형 그래핀의 도핑방식으로 용액 기반의 습식공정을 이용해왔으나, 이는 도핑과정에서 불순물 제거를 위한 추가 공정이 필요하고 도핑원소의 적정 함량을 제어하기 어려운 단점이 있었다.

이에 한국기초과학지원연구원(이하 KBSI)은 소재분석연구부 문준희 박사 연구팀이 불소 도핑된 분말형 그래핀을 전극으로 도입해 고출력 전기에너지 저장장치인 슈퍼커패시터의 성능 향상을 이끌어 냈다고 최근 밝혔다.

이번 공동연구팀이 개발한 불소도핑 그래핀은 유전체장벽방전(dielectric- barrier discharge: DBD) 반응기를 통해 상압에서 플라즈마를 발생시켜 분말 그래핀에 직접적으로 불소이온을 결합시키는 건식공정 방식이다.

특수 제작된 반응기 내부는 일정속도로 진동하는 판으로 설계해, 분말 그래핀이 균일하게 불소이온과 반응할 수 있도록 분산시키고 반응통로를 통해 이동하도록 설계했다. 이 방법은 분말 그래핀의 투입량이 연속적으로 이루어질 수 있어, 대량으로 분말 그래핀의 불소도핑을 가능케 했다.

탄소기반의 나노소재는 가벼운 무게와 높은 전기전도도, 낮은 비용 때문에 슈퍼커패시터의 전극소재로 널리 쓰인다.

탄소원자간 결합은 전자를 받으려는 성향이 강한 비금속 원소들끼리 전자쌍을 형성하며 만들어지는 공유결합 성질을 띠게 되는데, 불소 도핑을 통해 정전기적 인력으로 원자간 결합하는 형태의 이온결합 성질을 띠게 만든다면, 유전율이 향상되고 전하저장용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다는 것을 본 실험 및 양자역학 계산을 통해 발견하게 됐다.

이번 연구의 공동교신저자인 KBSI 문준희 박사는“건식으로 분말 그래핀의 대량 도핑기법을 개발하고, 이를 통해 형성된 준이온결합이 슈퍼커패시터 성능 향상에 미치는 효과가 크다는 사실을 밝힌 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

전남대 심욱 교수는“이번 연구는 준이온결합을 가진 그래핀을 단시간에 대량 합성할 수 있는 방식을 제시했고, 합성된 소재가 고성능의 슈퍼커패시터를 구현할 수 있음을 확인했다”며, “실험실 수준의 슈퍼커패시터 소재 합성을 넘어, 산업화의 가능성을 검증할 수 있었다는 것에 보람을 느낀다”고 밝혔다.

쾰른대학교 최희채 박사는“슈퍼커패시터 소재를 이론적으로 디자인함에 있어 화학적 결합성질의 변화를 통해 유전율을 향상시킨다는 새로운 원리와 실험적 증거를 제시한 것에 보람을 느낀다”며,“이번 연구는 향후 탄소기반 경량소재의 전하저장용량을 획기적으로 늘리는데 필요한 방향성도 제시했다”고 밝혔다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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