교육과학기술부는 기후변화대응 기술개발사업의 지원을 받은 KAIST 최장욱(崔壯旭, 35세) 교수, 강정구(姜正九, 41세) 교수 공동 연구팀(정형모 연구원(박사 2년))이 ‘고용량의 플렉서블한 초용량 축전지(슈퍼커페시터)를 제조하는 기술’을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.
초용량 축전지란, 작은 에너지 저장 용량을 가지지만 큰 출력 특성을 지닌 기존의 축전지(capacitor)에서 에너지 저장 용량을 향상시켜 전지와 축전지의 장점을 모두 가지는 소자를 말한다.
기존의 축전지는 전지에 비하여 출력 특성이 좋지만, 에너지 저장 용량이 작은 것이 단점으로 지목되어 왔으나, 새로운 탄소 나노 재료 (탄소 나노튜브, 그래핀)를 이용한 최근 연구결과를 통해 에너지 저장 용량이 눈에 띄게 향상될 수 있음이 확인되었다.
이번 연구는 미래 소재로 알려진 그래핀을 통해 구현된 것으로, 연구의 핵심은 탄소로만 이루어진 그래핀에 질소 원소를 가미(도핑)함으로써 에너지 저장 용량을 증가시킨 것이다.
질소가 도핑된 그래핀 축전지는 도핑되지 않은 경우와 비교하여 전해액의 이온과 더 잘 결합할 수 있어 훨씬 많은 양의 에너지를 저장할 수 있다. 질소가 가미되지 않은 경우에 비하여 저장에너지가 4배 가량 증가하는데, 이 에너지 저장 용량은 기존의 다른 재료로 구현된 축전지보다 2배 이상의 저장 용량을 의미한다.
이번 연구에서 그래핀 축전지는 작동이 매우 안정적이어서 23만회 동안의 충방전 평가에서도 성능이 저하되지 않는 것을 확인하였다.
또한 그래핀 자체의 유연한 성질을 이용하여 구부러지는 축전지로도 구현되었다. 이는 이번 연구에서 개발된 그래핀 축전지가 의복 등에서 착용 가능한 에너지 저장 수단으로 구현될 수 있음을 의미한다.
추가로 이번 연구에서는 질소가 그래핀의 가장 자리(edge) 뿐만 아니라 면 중앙부위에도 가미(도핑)될 수 있는 것을 확인하였다. 이는 가장 자리에만 도핑이 가능할 것이라는 기존의 연구 결과를 뒤집는 결과여서 더욱 주목을 받고 있다.
금번 연구 결과는 나노과학분야의 세계적 권위지인 미국의 나노 레터스(Nano letters)지 온라인판에 최근 발표되었다.
2010년 7월에 대학원에 부임하여 1년도 되지 않은 짧은 시간에 연구 성과를 이루어 주목을 받고 있는 최 교수는 “이 연구를 통해 향후 그래핀을 이용한 초용량 축전지가 차세대 전기자동차, 스마트 그리드 등에 응용되어 고출력 에너지 저장 장치로써 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.
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