국내 연구진이 차세대 전자소자 소재로 주목받는 탄소나노튜브와 그래핀을 고층건물처럼 다층구조로 만들어 전기를 대량 저장할 수 있는 초고용량 전기 저장장치(슈퍼커패시터)를 개발했다. 

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(단장 이영희 성균관대 교수)은 12일 빌딩형태의 3차원 탄소나노튜브·그래핀 구조체를 만들어 높은 에너지밀도를 가지면서 고출력을 유지하는 슈퍼커패시터를 개발했다고 밝혔다.  

이 연구결과는 미국화학회(ACS)의 나노과학 분야 학술지 ACS 나노(ACS Nano, 2월 6일자) 온라인판에 게재됐다.  

그래핀은 탄소 원자가 6각형 벌집 모양으로 결합한 평면구조이고 탄소나노튜브는 그래핀이 말려 빨대 같은 구조가 된 물질이다. 그래핀과 탄소나노튜브는 화학적, 물리적, 기계적 특성이 우수해 차세대 전자소자 소재로 주목받고 있다.  

연구진은 수용액 속에서 탄소나노튜브 주위에 고분자 물질(CTAB, 양이온 계면활성제)을 흡착시키고 여기에 그래핀 구조가 들어 있는 산화흑연을 반응시켜 그래핀 층 사이에 탄소나토튜브가 수직수평으로 끼어들어 간 3차원 빌딩구조를 만들었다.

이 3차원 물질을 200℃ 이상 처리하면 탄소나토튜브 주위의 고분자물질이 제거되면서 탄소나노튜브·그래핀 빌딩구조만 남는다.  

이 빌딩구조에는 그래핀 사이에 탄소나노튜브가 수직으로 배열돼 있어 이온이 출입할 수 있는 공간이 많고 이온을 흡착할 수 있는 표면적도 넓어 전기 저장 용량이 크게 증가한다고 연구진은 설명했다. 

이 구조체로 만든 슈퍼커패시터는 부피당 최대 출력밀도 424kW/ℓ에서 최대 에너지밀도 117.2Wh/ℓ 또는 무게당 최대 출력밀도 400kW/kg에서 최대 에너지밀도 110.6Wh/kg로 상용화된 리튬이온전지에 버금가는 성능을 보였다.  

이영희 교수는 "이 연구는 슈퍼커패시터를 직접 전기자동차에 사용할 수 있는 계기를 마련해준 연구로 전기자동차 실용화에 한걸음 다가가게 한 사례"라며 "관련 기업과 현재 20㎛까지 구현한 두께를 상용화를 위해 100㎛까지 늘리는 실용화 기술 개발을 협의 중"이라고 말했다.