세계 최초 3차원 다공성 그래핀 필름제작 기술

한국기초과학지원연구원 물성과학연구부 허윤석 박사와 최봉길 박사 연구팀이  KAIST EEWS 대학원 최장욱 교수팀과 공동으로 엠보싱 공정을 도입한 3차원 다공성 그래핀 필름제작기술 개발에 세계 최초로 성공했습니다.

이에 따라 전기화학적 특성이 우수한 차세대 고성능 에너지 저장소자의 전극활물질 상용화를 앞당기는 토대가 마련됐습니다.

이번 연구성과는 폴리스티렌(PS) 입자를 이용한 엠보싱 공정으로, 표면적은 넓히면서 전기전도도를 높이고, 동시에 기계적 물성까지 우수한 세계 최초의 '3차원 다공성 그래핀 필름 제조 기술'입니다.

3차원 다공성 그래핀 필름의 주사전자현미경 (SEM) 이미지.

(a) PS입자 제거 후, free standing 그래핀 필름의 저배율 SEM 이미지.
(b) 2 μm 기공크기를 갖는 다공성 그래핀 필름의 고배율 SEM 이미지.
 

연구팀은 그래핀 시트 사이에서 PS 입자의 삽입하고 다시 제거하는 과정을 통해 기공 구조를 만들어 그래핀의 재적층(restacking)을 효과적으로 제어했습니다.

연구팀은 PS 입자 제거 후에도 기공을 둘러싸고 있는 multi-layered 그래핀 층과 서로 연결된 기공구조에 의하여 전체 기공구조가 무너지지 않는 것을 확인했습니다.

또 sacrificial template을 이용한 PS 입자들의 크기에 따라 다공성 그래핀 필름의 기공크기를 100 nm에서 2μm까지 손쉽게 조절이 가능하단 사실도 발견했습니다.

엠보싱 기술을 이용한 3차원 다공성 그래핀 필름 제조공정

 (a) PS 입자와 그래핀의 자기조립 후, 진공여과를 통하여 free standing film제조.
 (b) 톨루엔 용매를 이용하여 PS 입자를 선택적으로 제거함으로써, 3차원 다공성 그래핀 필름제조.
 (c) 고성능 에너지 저장소자로 응용하기 위하여, self limiting reaction방법을 이용한 전이금속 산화물(MnO2)이 증착된 다공성 그래핀 필름제조.

지금까지 2차원 그래핀 필름을 3차원 다공성 그래핀 필름으로 제작하기 위한 여러 시도들이 있었지만, 이번 연구처럼 기공 크기조절이 자유로운 3차원 다공성 그래핀 필름을 free standing film으로 제작할 수 있는 기술은 세계 최초입니다.

연구팀은 또 전기화학적, 기계적 특성이 우수한 다공성 그래핀 필름을 에너지 저장소자중의 하나인 슈퍼캐패시터의 전극물질로 활용할 소자제작 및 성능분석을 수행했습니다.

지금까지 그래핀의 반데르 발스 힘에 의한 응집현상으로 슈퍼캐패시터의 전극활물질로의 응용이 제한적이었습니다.

그러나 이번 연구를 통해 다공성 그래핀 필름 제조에 성공함으로써 재적층 현상을 제어하고 전기화학적 특성을 향상 시킬 수 있었습니다.

특히 제조된 다공성 그래핀 필름은 넓은 비표면적과 향상된 전하이동 특성을 나타냈고, 이를 통하여 고출력 에너지 저장전극 재료로 활용할 수 있게 됐습니다.

3차원 다공성 그래핀 필름을 이용한 비대칭 슈퍼캐패시터 소자의 구현.

 (a) 다공성 그래핀 필름(anode electrode)과 MnO2가 증착된 다공성 그래핀 필름(cathode electrode)을 결합한 비대칭 슈퍼캐패시터 소자 제작,
 (b) 본 연구에서 개발한 고출력, 고에너지 슈퍼캐패시터 소자의 성능을 보여주는 Ragon plot.
슈퍼캐패시터의 에너지 밀도(energy density)를 높이기 위하여 음극에 다공성 그래핀 필름을, 양극에 MnO2가 증착된 다공성 그래핀 필름을 이용하여 비대칭 슈퍼캐패시터 소자를 제작하였다. 본 연구에서 개발된 소자는 에너지 밀도(44 Wh/kg)와 파워밀도(25 kW/kg)를 크게 향상시켰으며, 높은 고출력(high-power)과 장 수명(Long-term cycle life)을 유지하였다.

슈퍼캐패시터의 성능을 결정하는 중요한 지표는 충전, 방전 속도와 사이클 수명입니다.

연구팀은 다양한 순환전위전류 속도 내에서 비정전용량을 측정해 3차원 다공성 그래핀 필름이 2차원 그래핀 적층시료에 비해 충전 및 방전 속도가 향상됨을 확인했습니다.

이는 순환전위전류 속도 내에서 전해질의 이온들이 충분히 빠르게 기공 속으로 전달되어 빠르게 그래핀 표면 위에서 전하들이 저장되었기 때문입니다.

또 일정 전류밀도 내에서 1000 cycles의 충전 및 방전 실험을 실시, 다공성 그래핀 필름이 1000 cycles 동안 비정전용량이 거의 감소되지 않고 안정적인 충전 및 방전 수명을 나타낸 것으로 확인됐습니다.

이번 연구는 향후 그래핀 기반의 다양한 전기화학적 소자의 전극물질에 적극 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 나노과학 분야 최고 권위지인 'ACS Nano 誌'의 4월 24일자 인터넷판에 게재되었습니다.
(논문명 : 3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities, IF=9.855)

 

 용  어  설  명

3차원 다공성 그래핀 필름 제조를 위한 엠보싱 기술 :
엠보싱(Embossing) 가공은 천이나 직물 표면에 틀을 이용하여 열과 압력을 가해  올록볼록한 형태의 모양을 나타내는 과정이다.
본 연구에서는 그래핀 시트들을 폴리스티렌(polystyrene) 입자 틀에 둘러 싼 후, 폴리스티렌입자들을 제거함으로써 볼록한 형태의 그래핀 필름을 제조하였다.

슈퍼캐패시터 : 
슈퍼캐패시터는 캐패시터(콘덴서)의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 충전지 형태로 사용하는 부품이다.
전자 회로에 사용되는 캐패시터는 전기적으로 충전지와 같은 기능을 가지며, 전력을 모아서 필요에 따라 방출한다.
슈퍼캐패시터는 전자 회로를 안정되게 동작시키기 위해서 반드시 필요한 부품중의 하나이며, 충·방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정적으로 동작하는 특징을 가지고 있다.  

허윤석 박사(선임연구원)

최봉길 박사(박사후 연구원)