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대용량 그래핀 불소도핑 성공…고성능 슈퍼커패시터 상용화 '탄력'

등록 2021.09.15 14:50:24

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KBSI 국제 공동연구, 탄소기반해 전하저장용량 획기적 증대

대용량 불소처리 그래핀 분말 제조법 개발

[대전=뉴시스] 유전체장벽방전 반응기 원리(a)와 실제이미지. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 유전체장벽방전 반응기 원리(a)와 실제이미지.  *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 건식방식의 분말 그래핀 대량도핑기법을 세계 처음으로 개발해 고성능 슈퍼커패시터 상용화에 속도가 붙게 됐다.
 
 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 문준희 박사 연구팀이 불소도핑된 분말형 그래핀을 전극으로 활용해 고출력 전기에너지 저장장치인 슈퍼커패시터의 성능을 끌어올리는데 성공했다고 15일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 다량의 전기 에너지를 저장해 필요할 때 순간적으로 전력을 공급해주는 에너지 저장장치다.

이번 연구에는 전남대학교 심욱 교수팀, 쾰른대학교 이론화학그룹 최희채 박사팀, 한국핵융합에너지연구원 응용플라즈마연구팀 석동찬 박사팀이 참여했다.

급속충전이 가능하고 순간적으로 고출력 전기를 낼 수 있는 슈퍼커패시터는 현재 탄소기반 나노소재인 그래핀을 전극소재로 활용, 합성비용 절감 및 경량화를 위한 연구가 세계적으로 진행중이다.

높은 전기전도도와 넓은 비표면적을 지닌 분말형 그래핀의 에너지 저장능력을 강화키 위해 불순물을 섞는 도핑공정이 필요하며 분말형 그래핀의 도핑방식으로 용액기반의 습식공정이 주로 이용됐으나 이 방법은 도핑과정 때 불순물 제거를 위한 추가공정이 필요하고 도핑원소의 적정함량을 제어키 어렵다는 단점이 있다.
 
 이번에 공동연구팀이 개발한 불소도핑 그래핀은 유전체장벽방전(DBD) 반응기를 통해 상압에서 플라즈마를 발생시켜 분말 그래핀에 직접 불소이온을 결합시키는 건식공정 방식이다.

 특수 제작된 반응기 내부는 일정속도로 진동하는 판으로 설계돼 분말 그래핀이 균일하게 불소이온과 반응할 수 있도록 분산시키고 반응통로를 통해 이동할 수 있도록 한다.

특히 이 방법은 분말 그래핀의 투입이 연속적으로 이뤄질 수 있어 대량으로 분말 그래핀의 불소도핑이 가능하다.
 
연구팀은 불소도핑을 통해 정전기적 인력으로 원자간 이온결합 성질을 띠게 만들면 유전율이 향상되고 전하저장용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다는 사실을 확인했다.

이번 공동연구서 KBSI 문준희 박사 연구팀과 KFE 석동찬 연구팀은 불소도핑된 그래핀의 합성 및 대량 도핑기술을 개발하고 소재분석을 통해 공유결합과 이온결합의 중간성질을 내는 준이온결합의 존재를 밝혀냈다.

또한 전남대 심욱 교수팀은 슈퍼커패시터 성능 확인실험을 진행했고 쾰른대학교 최희채 박사 연구팀은 계산화학기법을 통해 준이온결합이 슈퍼커패시터 성능향상에 미치는 영향에 대해 규명했다.
 
연구결과는 화학분야 국제 학술지인 'Chemical Engineering Journal' 온라인판에 지난달 31일 게재됐다.(논문명:Fluorine-doped graphene oxide prepared by direct plasma treatment for supercapacitor applications)

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 말했다.

전남대 심욱 교수는 "이번 연구는 준이온결합을 가진 그래핀을 단시간에 대량합성할 수 있는 방식을 제시했고 합성된 소재가 고성능의 슈퍼커패시터를 구현할 수 있음을 확인한 것"이라며 "실험실 수준의 슈퍼커패시터 소재 합성을 넘어 산업화 가능성을 검증할 수 있었다"고 밝혔다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]

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