초록 ▼

본 연구는 전기화학적 축전기의 두 가지 주요 요소인 전기 이중층 축전기 (electric double-layer capacitor)와 유사축전기 (pseudocapacitor)의 구동원리의 장점을 융합한 하이브리드형 에너지 저장 시스템의 개발로 기존 장치의 출력 및 에너지 특성을 뛰어 넘는 새로운 유형의 시스템을 구현하고자 하였다. 전기화학적 활성 물질들을 단순히 섞어서 전극을 구성하는 기존의 공정 과정에서 벗어나서, 다양한 나노재료들을 손쉽게 조절함과 동시에 나노미터 수준으로 정밀하게 제어하면서 표면에 집적시킬 수 있는 Layer

본 연구는 전기화학적 축전기의 두 가지 주요 요소인 전기 이중층 축전기 (electric double-layer capacitor)와 유사축전기 (pseudocapacitor)의 구동원리의 장점을 융합한 하이브리드형 에너지 저장 시스템의 개발로 기존 장치의 출력 및 에너지 특성을 뛰어 넘는 새로운 유형의 시스템을 구현하고자 하였다. 전기화학적 활성 물질들을 단순히 섞어서 전극을 구성하는 기존의 공정 과정에서 벗어나서, 다양한 나노재료들을 손쉽게 조절함과 동시에 나노미터 수준으로 정밀하게 제어하면서 표면에 집적시킬 수 있는 Layer-by-Layer (LbL) assembly 기술을 이용해서 다층박막으로 구성된 고에너지, 고출력의 하이브리드형 전기화학적 축전기를 개발하였다.
(1) 안정한 탄소나노소재의 서스펜션 개발
탄소나노재료(탄소나노튜브, 그래핀)는 우수한 유효 표면적, 다공성과 전기 이중층 축전 성능을 지니고 있어 고에너지, 고출력을 위한 전극물질로 높은 활용성을 가지고 있다. 특히, 화학적으로 기능화된 탄소나노소재는 우수한 분산안정성을 가질 뿐만 아니라, 높은 에너지 밀도의 유사축전효과를 갖는 금속 산화물이나 전도성 고분자와의 상호작용이 용이하여 LbL assembly를 통해서 간단히 하이브리드형 전극제조가 가능하다. 본 연구에서는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 이용하여 화학적 환원반응 후에도 수용액상에서 안정적으로 분산되어 있는 환원된 산화 그래핀 (RGO) 서스펜션을 제조하였다. 그래핀 층과 PEDOT 간의 π-π 결합은 RGO와 PEDOT:PSS가 강하게 붙어있게 만들고, 음전하를 띄는 PSS는 그래핀 층들이 서로 정전기적으로 반발하게 만들어 용액을 안정하게 만드는 역할을 한다. 이는, 기존에 사용되던 NH₃나 KOH와 같은 첨가제없이 그래핀 고유의 우수한 전도성을 유지하는 효과를 나타내었다.
(2) LbL assembly를 이용한 2차원 다층박막 제조
나노수준의 다양한 재료들은 우수한 전기적, 광학적, 기계적 성질을 가지고 있으나, 많은 경우 이들을 단순히 합쳐서 만든 복합체는 이러한 이상적인 성질을 유지하지 못하거나 잃어버리는 경우가 많은데, LbL assembly는 나노기술의 한 축인 bottom-up 기술의 하나로 나노재료들을 한 층씩 정교하게 제어하고 그 구조 및 성질을 유지시키면서 나노미터 수준의 다층구조를 갖는 나노복합체를 제조하는 공정으로 전기화학적 활성물질 고유의 특성을 유지할 수 있다. 본 연구에서는 정전기적 인력을 기반으로 각각 그래핀&그래핀, 금(Au) 나노입자&그래핀의 다층박막 구조체를 제조하고, 이를의 전기화학적인 활성을 평가하였다. 적층되는 박막의 수와 후속 처리공정에 따라 전기화학적 성능이 달라지는 현상을 관측하였고, 이를 통해서 각 나노 소재들 간의 상호작용을 분석하고 이해하는데 많은 도움이 된 연구결과이다.
(3) 하이브리드 탄소 나노소재 다층 박막을 이용한 고에너지, 고출력의 수퍼커패시터 개발
전기화학적 축전기의 두 가지 주요 요소인 전기 이중층 축전기(우수한 전력전달능력)와 유사축전기(높은 전기용량)의 장점을 융합한 하이브리드형 에너지 저장 시스템은 기존 장치의 출력 및 에너지 특성을 뛰어 넘는 새로운 유형의 시스템으로 각광받고 있다. 본 연구에서는 유사축전효과를 갖는 금속 산화물(RuO₂)과 전도성 고분자(Polyaniline)가 탄소소재에 집적된 하이브리드 전극 소재를 제조하고 수퍼 커패시터로의 전기화학적 특성을 평가하였다. 각 재료가 개별적으로 사용되었을 때 나타나던 불안정한 사이클 특성 및 낮은 유효전기용량은 두 재료간의 시너지 효과로 인하여 보다 향상된 전기용량 및 우수한 사이클 안정성을 나타내면서 고에너지, 고출력의 수퍼커패시터 상용화의 가능성을 제시한 연구결과이다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내·외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용 계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8