불소가 도핑된 분말형 그래핀을 활용한 슈퍼커패시터 소재의 충․방전과정 형상화(KBSI 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 상압 플라즈마를 이용해 대량으로 불소가 도핑된 그래핀 분말 제조법을 세계 최초로 개발했다.이는 친환경차, 스마트미터, 중장비, 물류 자동화장비, 통신장비 등 고성능 슈퍼커패시터의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

15일 한국기초과학지원연구원(KBSI)에 따르면 소재분석연구부 문준희 박사 연구팀이 불소 도핑된 분말형 그래핀을 전극으로 도입해 고출력 전기에너지 저장장치인 슈퍼커패시터의 성능 향상을 이끌어냈다.

슈퍼커패시터는 급속 충전이 가능하고 순간적으로 고출력 전기를 낼 수 있어 전력수요를 관리하는 재생에너지 발전시스템에 주로 활용됐다.

하지만, 일반 배터리에 비해 에너지 저장용량이 낮다는 한계가 있었다.

그럼에도 불구하고, 슈퍼커패시터가 갖는 장점 때문에 슈퍼커패시터에 사용되는 전극소재의 합성비용 절감 및 경량화를 위한 비금속소재 개발의 필요성이 꾸준히 요구되고 있다.

이번에 연구팀이 개발한 불소도핑 그래핀은 유전체장벽방전(dielectric- barrier discharge, DBD) 반응기를 통해 상압에서 플라즈마를 발생시켜 분말 그래핀에 직접적으로 불소이온을 결합시키는 건식공정 방식이다.

특수 제작된 반응기 내부는 일정속도로 진동하는 판으로 만들었다. 분말 그래핀이 균일하게 불소이온과 반응할 수 있도록 분산시키고 반응통로를 통해 이동하도록 한 것이다.

이 방법은 분말 그래핀의 투입량이 연속적으로 이루어질 수 있어, 대량으로 분말 그래핀의 불소도핑을 가능케 했다.

이처럼 불소 도핑을 통해 정전기적 인력으로 원자간 결합하는 형태의 이온결합 성질을 띠게 만든다면, 유전율이 향상되고 전하저장용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다는 것을 이번 연구를 통해 규명됐다.

KBSI 문준희 박사는 “건식으로 분말 그래핀의 대량 도핑기법을 개발하고, 이를 통해 형성된 준이온결합이 슈퍼커패시터 성능 향상에 미치는 효과가 크다는 사실을 밝힌 점에서 매우 의미있는 연구성과”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 화학분야 세계적 권위 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’ 8월31일자 온라인판에 게재됐다.


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