국내 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 초고온 처리해 전하 저장능력을 획기적으로 높인 슈퍼 커패시터(초고용량 축전지)용 고성능 전극 소재를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 기능성복합소재연구센터의 김명종 책임연구원, 김남동 선임연구원팀이 전기용접에 사용되는 아크방전을 이용해 그래핀에 질소를 다량 도입, 기존 탄소 소재보다 전하 저장능력이 2~3배 높은 전극 소재를 제작했다고 19일 밝혔다.

슈퍼 커패시터는 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적인 에너지 저장 장치다. 순간적으로 고출력을 낼 수 있어 스마트 그리드와 재생에너지 발전 시스템에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으지만, 이를 위해서는 에너지 저장량을 높여야 하는 등 해결해야 할 기술적인 과제들이 남아있다.

연구진은 슈퍼 커패시터 성능 개선을 위해 '그래핀'을 이용한 전극 소재 개발에 나섰다. 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 얇은 판 모양 물질로 구리나 실리콘보다 전기적인 특성이 뛰어나 '꿈의 신소재'로 불린다.

연구진은 그래핀을 분말로 만들 때 결정이 훼손되지 않게 하는 데 초점을 맞췄다. 탄소봉에 그래핀 산화물(GO), 질소가 함유된 고분자물질인 폴리아닐린 등을 첨가하고 최고 4000℃의 아크열(기체 방전의 하나인 아크 방전 때 발생하는 높은 열)을 가해 그래핀 결정 내에 질소가 4% 정도 도핑된 그래핀 분말을 얻는 데 성공했다.

질소가 도핑된 그래핀 분말은 전도도와 표면 이온 흡착성이 높아졌다. 이에 기존 그래핀만으로 만든 전극 소재보다 전하 저장능력이 2~3배 향상되는 것으로 나타났다.

김명종 책임연구원은 "슈퍼커패시터는 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전시스템의 열쇠"라며 "이번에 개발한 고성능 그래핀 분말이 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다"고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'(Advanced Functional Materials·온라인 9월 19일 자)에 실렸다.