'인공번개' 이용해 고성능 그래핀, 대량으로 만든다
'인공번개' 이용해 고성능 그래핀, 대량으로 만든다
  • 강지희
  • 승인 2019.12.19 12:05
  • 조회수 13071
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그래핀, 내가 만들겠다. 출처: pixabay
그래핀, 내가 만들겠다. 출처: pixabay

국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀은 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조했습니다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높습니다. 때문에 '슈퍼커패시터'의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망됩니다. 해당 연구 논문은 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다.

 

순간적 고출력 전기 내는 슈퍼커패시터

 

슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것입니다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하는데요. 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적입니다. 슈퍼커패시터는 특히 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성이 있습니다. 덕분에 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받는데요. 하지만 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었습니다. 

연구팀의 모식도와 전자현미경 사진. 출처: KIST

이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했습니다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월합니다. 때문에 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있죠. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생합니다. 때문에 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠습니다.

 

인공번개의 일종인 아크방전으로 고성능 그래핀을 대량 생산

 

KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징입니다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성됩니다.

 

  • 아크방전?

아크방전은 가스를 통한 연속적인 방전으로 보통의 상태에서는 비전도성인 가스가 전위 차이에 의해 이온화된 플라즈마가 되면서 빛을 방사하는 현상입니다. 실생활에서 볼 수 있는 전기용접기가 아크방전을 이용한 장치입니다. 이 장치를 반응기 안에 넣고 원료 물질을 증기화시켜서 물질을 합성합니다.

개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 출처: KIST

고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상됐습니다. 뿐만 아니라 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈죠. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과입니다.

김남동 박사와 김명종 박사. 출처: KIST
김남동 박사와 김명종 박사. 출처: KIST

KIST 김명종 책임연구원은 "슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠"라면서 "이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다"고 밝혔습니다.

 

##참고자료##

 


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