다공성 그래핀볼 친환경 대량생산기술 개발

국내 연구진이 차세대 에너지 저장장치 등에 응용 가능한 고품질 3차원 ‘다공성 그래핀 나노볼’을 친환경적으로 대량생산하는 기술을 개발했다. 향후 차세대 전지, 하이브리드 자동차 등 산업발전에 기여할 것으로 기대된다.

해당 연구는 울산과학기술대학교(UNIST) 친환경에너지공학부 장지현 교수 연구팀(제1저자 이정수, 김선이 박사과정 연구원)이 수행했다. 연구 결과는 미국화학회가 발행하는 나노분야 학술지 ACS나노 지난달 20일자 온라인판에 게재됐다.

기존의 흑연에 강산(Acid)과 산화제를 이용해 그래핀을 제조하는 화학적 방식은 대량생산이 가능하나, 유독하고 그래핀의 우수한 전기전도도 재현에 한계가 있었다. 반면 최근 주목받는 화학기상증착기법을 활용한 그래핀 제조 방식은 우수한 전도도 등 고품질의 그래핀을 합성할 수 있으나, 유독 가스를 사용할 뿐만 아니라 대량생산이 어렵다는 단점이 있었다.

연구팀은 유독한 가스나 화합물 없이 고분자와 금속이온만을 이용한 제조기술을 개발해 3차원 다공성 그래핀 나노볼을 친환경적으로 대량 합성하는데 성공했다. 다공성 그래핀 나노볼은 전기전도성이 좋은 그래핀을 다수의 구멍을 갖는 나노 수준의 구형 형태로 제작한 것이다.

다공성 그래핀은 표면적이 넓어 반응성이 좋고, 평면 그래핀의 우수한 전기전도도도 그대로 유지된다. 또 분말 상태로도 만들 수 있어 앞으로의 활용폭이 매우 넓다.

대량생산이 가능한 다공성 그래핀 나노볼은 차세대 에너지 저장장치인 슈퍼커패시터의 전극 소재로서 최적이다. 용액 이온 반응으로 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터의 효율을 높이기 위해서는 전기전도도가 우수하고, 표면적이 넓은 전극이 필요하기 때문이다.

연구팀은 다공성 그래핀 나노볼을 슈퍼커패시터의 전극소재로 적용한 결과, 기존 대비 2배의 성능을 나타냈으며 장시간 사용에도 성능저하가 거의 없었다고 설명했다.

장지현 교수는 “다공성 그래핀 나노볼은 뛰어난 특성으로 슈퍼커패시터 외에 다양한 장치에 활용 가능하다”며 “3차원 그래핀의 친환경적 대용량 제조방법으로 고출력, 고효율 에너지 저장 시대를 앞당기는데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.