컨텐츠 바로가기 영역
본문으로 바로가기
주메뉴로 바로가기


보도자료

Home 홍보센터뉴스 보도자료

보도자료 < 뉴스 < 홍보센터

상단 타이틀 영역입니다.
대용량 그래핀 불소도핑 성공, 고성능 슈퍼커패시터 구현
이름 : 언론홍보 | 작성일 : 2021.09.15 14:13 | 조회수 : 578
컨텐츠 영역입니다.

대용량 그래핀 불소도핑 성공, 고성능 슈퍼커패시터 구현

상압 플라즈마 조건하 대용량 불소처리 그래핀 분말 제조법 개발 성공

KBSI‧전남대-쾰른대 국제공동연구로 탄소기반 경량소재 전하저장용량 획기적 증대



 상압 플라즈마를 이용하여 대량으로 불소가 도핑된 그래핀 분말 제조법을 세계 최초로 개발함에 따라 친환경차, 스마트미터, 중장비, 물류자동화장비, 통신장비 등 산업분야 탄소중립 목표 달성을 견인할 고성능 슈퍼커패시터의 상용화에 대한 기대감을 키우게 됐다. 

  * 슈퍼커패시터 : 다량의 전기 에너지를 저장했다가 필요할 때 순간적으로 전력을 공급해주는 에너지 저장장치를 이름


                    그림1. 불소가 도핑된 분말형 그래핀을 활용한 슈퍼커패시터 소재의 충․방전과정 형상화


 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 소재분석연구부 문준희 박사 연구팀이 불소 도핑된 분말형 그래핀을 전극으로 도입하여 고출력 전기에너지 저장장치인 슈퍼커패시터의 성능 향상을 이끌어 냈다고 9월 15일 밝혔다. 

 

 이번 연구는 전남대학교(총장 정성택, 이하 전남대) 신소재공학부 심욱 교수 연구팀, 쾰른대학교 이론화학그룹 최희채 박사 연구팀, 한국핵융합에너지연구원(원장 유석재, 이하 KFE) 응용플라즈마연구팀 석동찬 연구원 연구팀과의 공동연구를 통해 이루어졌다.


 슈퍼커패시터는 급속 충전이 가능하고 순간적으로 고출력 전기를 낼 수 있어 전력수요를 관리하는 재생에너지 발전시스템에 주로 활용되었으나, 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 요구되었다. 이에 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. 


그림2. (a)분말형 그래핀이 진동에너지가 가해진 진동이송스테이지에 투입되어 공중으로 띄워지고, 계단식 

구조의 3step 반응통로를 통해 플라즈마에서 발생된 불소라디칼과 접촉 및 반응을 하며 불소도핑되면서, 포집

필터(FGO)를 통해 대량 회수, (b) 불소도핑용 유전체장벽방전(dielectric-barrier discharge: DBD) 반응기 실제 이미지


 이번 공동연구팀이 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 설계하여, 분말 그래핀이 균일하게 불소이온과 반응할 수 있도록 분산시키고 반응통로를 통해 이동하도록 설계했다. 이 방법은 분말 그래핀의 투입량이 연속적으로 이루어질 수 있어, 대량으로 분말 그래핀의 불소도핑을 가능케 했다. 

  * 유전체장벽방전(DBD) 반응기 : 본 연구팀이 개발한 장치로, 부도체 표면에 존재하는 전하를 축적하여 플라즈마를 발생시킬 높은 전기를 발생시키는 방식


 탄소기반의 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.


 KBSI 문준희 박사 연구팀과 KFE 석동찬 연구팀은 불소 도핑된 그래핀의 합성 및 대량 도핑기술 개발은 물론 소재분석을 통해 공유결합과 이온결합의 중간 성질을 내는 준이온결합이 존재함을 밝혔고, 전남대 심욱 교수 연구팀은 슈퍼커패시터 성능 확인 실험을 진행하였으며, 쾰른대학교 최희채 박사 연구팀은 계산화학 기법을 통해 준이온결합이 슈퍼커패시터 성능향상에 미치는 영향에 대해 밝혔다. 


사진. 왼쪽부터 KBSI 문준희 박사(공동교신저자), KBSI 차함초롬 연구원(공동 제1저자), 

전남대 심욱 교수(공동교신저자), 쾰른대학교 최희채 박사(공동교신저자)


 이번 연구의 공동교신저자인 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 밝혔다. 


 전남대 심욱 교수는“이번 연구는 준이온결합을 가진 그래핀을 단시간에 대량 합성할 수 있는 방식을 제시했고, 합성된 소재가 고성능의 슈퍼커패시터를 구현할 수 있음을 확인했다”며,“실험실 수준의 슈퍼커패시터 소재 합성을 넘어, 산업화의 가능성을 검증할 수 있었다는 것에 보람을 느낀다”고 밝혔다.


 쾰른대학교 최희채 박사는“슈퍼커패시터 소재를 이론적으로 디자인함에 있어 화학적 결합성질의 변화를 통해 유전율을 향상시킨다는 새로운 원리와 실험적 증거를 제시한 것에 보람을 느낀다”며,“이번 연구는 향후 탄소기반 경량소재의 전하저장용량을 획기적으로 늘리는데 필요한 방향성도 제시했다”고 밝혔다. 


 본 연구결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업(ERC), 나노⋅소재원천기술개발사업, 미래소재디스커버리사업, 나노 및 소재기술개발사업(소재 공정설계 서비스), 플라즈마기술연구사업과 독일 교육과학부(BMBF), 학술교류처(DAAD)의 MOPGA-GRI 프로그램 지원으로 진행되었고, 화학분야 세계적 권위 학술지인 Chemical Engineering Journal誌 온라인판[논문명 : Fluorine-doped graphene oxide prepared by direct plasma treatment for supercapacitor applications, IF=13.273, JCR 상위 2.61%, KBSI 문준희(공동교신저자), 전남대 심욱(공동교신저자), 쾰른대학교 최희채(공동교신저자)]에 8월 31일 게재되었다. <끝>

share
첨부파일
 
RSS FEED

보도자료 목록 : 번호, 파일, 제목, 이름, 작성일, 조회수
번호 파일 제목 이름 작성일 조회수
322 hwp 언론홍보 2021.10.14 220
321 hwp 언론홍보 2021.10.13 117
320 hwp 언론홍보 2021.10.12 239
319 hwp 언론홍보 2021.10.07 266
318 hwp 언론홍보 2021.10.05 159
317 hwp 언론홍보 2021.10.01 176
hwp 언론홍보 2021.09.15 579
315 hwp 언론홍보 2021.08.26 861
314 hwp 언론홍보 2021.08.09 601
313 hwp 언론홍보 2021.07.28 893
312 hwp 언론홍보 2021.07.20 972
311 jpg 언론홍보 2021.07.06 906
310 etc 언론홍보 2021.06.24 861
309 jpg 언론홍보 2021.06.21 1,018
308 png 언론홍보 2021.06.14 1,075
307 png 언론홍보 2021.06.08 1,334
306 hwp 언론홍보 2021.06.03 1,815
305 hwp 언론홍보 2021.05.26 2,015
304 hwp 언론홍보 2021.05.20 1,318
303 hwp 언론홍보 2021.05.17 1,185


챗봇 켜기