국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다.

슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다.

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

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

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

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.”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재됐다.

* (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge

– (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원

*용어설명

그래핀

그래핀은 탄소 동소체 중 하나로, 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루고 있는 구조이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다. 이 모양을 벌집 구조 (honeycomb structure) 또는 벌집 격자 (honeycomb lattice)라고 부르기도 한다. 그래핀의 구조적으로 많은 관심을 가져온 탄소 나노 구조체의 기본구조로, 층층 쌓기를 하면 3차원 구조의 흑연이 되고, 원기둥 모양으로 말면 1차원의 탄소나노튜브가 되며 축구공 모양으로 말면 플러렌이 된다. 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 nm로 엄청나게 얇으면서 물리적∙화학적 안정성도 높다. 탄소 원자간 간격은 0.142 nm, 그래핀들이 쌓였을 때 그래핀 간의 간격은 0.335 nm가 된다. 공유결합으로 이루어진 그래핀의 특성상 그래핀은 매우 강하고 200,000 ㎠/V∙s의 매우 높은 진성 전자이동도, ~5000W/m∙K의 높은 열전도도, 130GPa의 인장강도 ~1 TPa의 탄성계수를 갖고 있으며 이론적 비표면적 또한 매우 크다. 또한, 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550nm의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 97.7 %로 확인된다.

아크방전 방법

아크방전은 가스를 통한 연속적인 방전으로, 보통의 상태에서는 비전도성인 가스가 전위 차이에 의해 이온화된 플라즈마가 되면서 빛을 방사하는 현상이다. 실생활에서 볼 수 있는 전기용접기가 아크방전을 이용한 장치이며 이 장치를 반응기 안에 넣고 원료 물질을 증기화시켜서 물질을 합성한다고 볼 수 있다. 본 실험에서는 탄소봉을 고온의 아크로 증기화시킨 후 냉각되면서 그래핀이 형성된다.

슈퍼커패시터

슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 커패시터 또는 우리말로 초고용량 축전지라고 한다. 기존의 커패시터의 특성 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로, ‘전력을 모아서 필요에 따라 방출한다.’라는 점을 이용, 전지의 목적으로 사용하기 위해 연구되고 있는 소자이다. 전기적 기능으로는 오늘날 2차전지 충⋅방전 기능과 유사하다. 하지만 슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전 현상을 이용한다. 이에 따라 급속충전이 가능하고 높은 충⋅방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 기존의 콘덴서와 이차전지가 수용하지 못하는 성능 특성 영역을 채울 수 있는 소자로 주목받고 있다.