불소가 도핑된 분말형 그래핀을 활용한 슈퍼커패시터 소재의 충·방전과정 형상화.[한국기초과학지원연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 고성능 슈퍼커패시터 상용화의 걸림돌로 작용하는 에너지 저장용량 문제를 일거에 해소할 수 있는 원천기술을 개발했다.

한국기초과학지원연구원은 문준희 박사 연구팀이 한국핵융합에너지연구원, 전남대, 독일 쾰른대와 공동연구를 통해 불소 도핑된 분말형 그래핀을 전극으로 도입, 고출력 전기에너지 저장장치인 슈퍼커패시터의 성능 향상을 이끌어 냈다고 15일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 급속 충전이 가능하고 순간적으로 고출력 전기를 낼 수 있어 전력수요를 관리하는 재생에너지 발전시스템에 주로 활용되지만 일반 배터리에 비해 에너지 저장용량이 낮다는 한계가 있었다. 이 때문에 슈퍼커패시터에 사용되는 전극소재의 합성비용 절감 및 경량화를 위한 비금속소재 개발의 필요성이 꾸준히 요구돼 왔다. 탄소기반 나노소재로서 전기적, 기계적, 물리적, 화학적 특성이 매우 뛰어난 그래핀을 전극소재로 활용한 에너지 저장소자 연구가 전세계적으로 활발히 전개되고 있다.

높은 전기전도도와 넓은 비표면적을 지닌 분말형 그래핀의 에너지 저장능력을 강화하기 위해 불순물을 섞는 도핑공정이 널리 활용된다. 그 동안 분말형 그래핀의 도핑방식으로 용액 기반의 습식공정을 이용해왔으나, 이는 도핑과정에서 불순물 제거를 위한 추가 공정이 필요하고 도핑원소의 적정 함량을 제어하기 어려운 단점이 있었다.

연구팀이 개발한 불소도핑 그래핀은 상압에서 플라즈마를 발생시켜 분말 그래핀에 직접적으로 불소이온을 결합시키는 건식공정 방식이다. 특수 제작된 반응기 내부는 일정속도로 진동하는 판으로 설계, 분말 그래핀이 균일하게 불소이온과 반응할 수 있도록 분산시키고 반응통로를 통해 이동하도록 했다. 이 방법은 분말 그래핀의 투입량이 연속적으로 이루어질 수 있어, 대량으로 분말 그래핀의 불소도핑을 가능케 했다.

불소 도핑 반응기 실제 이미지.[한국기초과학지원연구원 제공]

탄소기반 나노소재는 가벼운 무게와 높은 전기전도도, 낮은 비용 때문에 슈퍼커패시터의 전극소재로 널리 쓰인다. 탄소원자간 결합은 전자를 받으려는 성향이 강한 비금속 원소들끼리 전자쌍을 형성하며 만들어지는 공유결합 성질을 띠게 되는데, 불소 도핑을 통해 정전기적 인력으로 원자간 결합하는 형태의 이온결합 성질을 띠게 만든다면, 유전율이 향상되고 전하저장용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다는 것을 본 실험 및 양자역학 계산을 통해 발견하게 됐다.

문준희 박사는 “건식으로 분말 그래핀의 대량 도핑기법을 개발하고, 이를 통해 형성된 준이온결합이 슈퍼커패시터 성능 향상에 미치는 효과가 크다는 사실을 밝힌 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 8월 31일 온라인판에 게재됐다.