KIST 김명종·김남동 박사팀, 고성능 그래핀 대량 생산기술 개발

최태우 기자 / 기사승인 : 2019-12-23 16:40:10
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아크방전 활용, 고품질 그래핀 분말로 대용량 슈퍼커패시터 생산 활용성 기대
▲ 아크를 이용해 질소를 고농도로 도핑, 탄소봉에 그래핀 산화물과 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가한 상태로 고온에서 아크로 가열했다. 원자화-재조합되는 과정을 거쳐 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성됐다. [사진=KIST]
[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용한 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 순간적으로 고출력을 낼 수 있는 ‘슈퍼커패시터(Super Capacitor)’의 대용량화에 기여할 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 김명종·김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다.

연구진에 따르면, 해당 기술로 형성된 그래핀은 기계적 물성이 우수하고 에너지 저장능력도 기존의 탄소전극보다 3배가량 높다.

슈퍼커패시터는 커패시터(콘덴서)의 전기용량을 중점적으로 강화한 소자다. 화학반응을 통해 충방전하는 일반적인 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명도 반영구적이다.

순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요-공급을 실시간으로 관리하는 스마트그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만 일반적인 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 단점으로 지적돼 왔다.

그래핀(graphene)은 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력도 탁월해 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터의 핵심소재로 각광받고 있다.

탄소 동소체 중 하나로 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결돼 2차원 평면 구조를 띄고 있다. 탄소 나노 구조체의 기본구조로 층층쌓기를 하면 3차원 구조의 흑연이 되고 원기둥 모양으로 말면 1차원의 탄소나노튜브가 된다. 그래핀은 원자 1개의 두께로 구성된 얇은 막으로 두께는 0.2나노미터에 불과해 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다.

허나 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되면서 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능을 완벽하게 구현하기에는 어려웠다.

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

▲ (왼쪽부터) KIST 김명종 책임연구원, 김남동 선임연구원
연구진은 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도성을 띄며 표면 이온 흡착성으로 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상됐음을 확인했다고 밝혔다. 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충방전 특성을 유지하면서 단점으로 지적됐던 에너지 저장능력을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “해당 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산-저장 시스템의 혁신과 새로운 소자 개발에도 도움이 되기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행됐으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신호에 게재됐다.

 

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