UNIST, 3D 다공성 그래핀볼의 친환경적 대량생산 성공

다공성 그래핀 볼 개발 연구진. 윤종철 연구원, 김선이 박사과정 학생, 장지현 교수, 이정수 박사과정 학생(왼쪽부터)

[아시아경제 김보경 기자] 국내 연구진이 차세대 에너지 저장장치에 응용할 수 있는 3차원 다공성 그래핀 나노볼을 친환경적으로 대량생산하는 기술을 개발했다. 에너지 저장 효율이 중요한 차세대 전지, 하이브리드 자동차 등의 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다.

7일 미래창조과학부에 따르면 울산과학기술대학교(UNIST) 친환경에너지공학부 장지현 교수 연구팀(제1저자 이정수, 김선이 박사과정 연구원)은 유독한 가스나 화합물 없이 고분자와 금속이온만을 이용한 제조기술을 개발해 3차원 다공성 그래핀 나노볼을 친환경적으로 대량 합성하는데 성공했다.

기존의 흑연에 강산과 산화제를 이용해 그래핀을 제조하는 화학적 방식은 대량생산이 가능하나, 유독하고 그래핀의 우수한 전기전도도 재현에 한계가 있었다.

또한 화학기상증착기법을 활용한 그래핀 제조 방식은 우수한 전도도 등 고품질의 그래핀을 합성할 수 있지만, 유독 가스를 사용할 뿐만 아니라 대량생산이 어렵다는 단점이 있었다.

반면 연구팀은 유해한 가스를 사용하지 않고 금속 전구체 기반의 화학기상증착기법을 이용해 고품질의 삼차원 그래핀을 대량생산하는 기술을 개발했다. 다공성 그래핀은 표면적이 넓어 반응성이 좋고 평면 그래핀의 우수한 전기전도도도 그대로 유지되며, 분말 상태로도 만들 수 있어 활용 범위가 넓다.

제조방법을 보면 먼저 구형의 고분자 물질 표면에 금속이온을 고르게 도포한 후 화학기상증착기법을 실행한다. 그러면 고온에서 고분자 표면의 금속이온들이 고분자 내부로도 침투해 금속으로 바뀌고, 울퉁불퉁한 금속구의 표면에서 그래핀이 자란다. 마지막으로 금속을 제거하면 구멍이 많은 구형의 그래핀만 남게 된다.

다공성 그래핀 나노볼은 용액 이온 반응으로 에너지를 저장하는 차세대 에너지 저장장치 '슈퍼커패시터'의 전극 소재로서 최적이다. 다공성 그래핀 나노볼을 슈퍼커패시터의 전극소재로 적용한 결과, 기존 대비 2배의 성능을 나타냈으며 장시간 사용에도 성능저하가 거의 없었다.

장지현 교수는 "다공성 그래핀 나노볼은 뛰어난 특성으로 슈퍼커패시터 외에 다양한 장치에 활용 가능하다"면서 "3차원 그래핀의 친환경적 대용량 제조방법으로 고출력·고효율 에너지 저장 시대를 앞당기는데 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구실 지원 사업 등의 지원을 받았으며, 연구결과는 미국화학회가 발행하는 나노분야 학술지 ACS 나노 6월 20일자 온라인판에 게재됐다.

김보경 기자 bkly477@