[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 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 19일 밝혔다.

[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [제공=KIST] 2019.12.19 swiss2pac@newspim.com

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 것.

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.

[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 김명종 한국과학기술연구원 전북분원 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 책임연구원 [제공=KIST] 2019.12.19 swiss2pac@newspim.com

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.

김명종 KIST 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 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행됐으며 연구결과는 'Advanced Functional Materials. (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 출판되었다.

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