국내 연구진이 인공번개의 하나인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량으로 생산하는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는데 성공했다고 19일 밝혔다. 이렇게 만든 그래핀은 우수한 기계적 물성을 비롯해 에너지 저장능력이 기존 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’ 대용량화에 크게 기여할 전망이다.

슈퍼커패시터(super capacitor)는 콘덴서에서 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응으로 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히 순간적으로 고출력으로 전기를 방출할 수 있어 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템에서 핵심기술로 주목받고 있다. 하지만 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다.

KIST 연구진은 낮은 에너지 저장량을 해결하려고 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 만드는 전자 속도가 매우 빠르고, 열을 전달하는 능력도 탁월해 고효율 태양전지와 슈퍼커패시터 같은 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 산화그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정이 훼손되는 많은 결점이 있어 그래핀 고유 성능이 제대로 구현하기 어려웠다.

KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가한 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 만들어진다.

고농도 질소를 도핑한 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상된다. 특히 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 기대하게 만드는 결과다.

KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산과 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다”고 밝혔다.

이 연구결과는 '첨단 기능 물질(Advanced Functional Materials)' 최신 호에 게재됐다.

박응서 테크엠 기자   gopoong@gmail.com