불소 도핑으로 '고출력 에너지 저장장치' 성능 높여

기초지원연, 플라즈마 이용해 분말형 그래핀 제조
친환경차 등 고성능 슈퍼커패시터 상용화에 기여

기초지원연은 불소가 도핑된 분말형 그래핀을 활용해 슈퍼커패시터의 성능을 향상시키는 기술을 개발했다. 기초지원연 제공

문준희 기초지원연 박사(왼쪽부터), 차함초롬 기초지원연 연구원, 심욱 전남대 교수, 최희채 독일 쾰른대 박사

국내 연구진이 불소가 도핑된 그래핀 분말을 만들어 고출력 전기에너지 저장장치(슈퍼커패시터)를 상용화할 수 있는 기술을 내놨다.

한구기초과학지원연구원은 문준희 박사 연구팀은 상압 플라즈마를 이용해 불소가 도핑된 분말형 그래핀 제조 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 다량의 전기에너지를 저장했다가 필요할 때 순간적으로 전력을 공급해 주는 에너지 저장장치다. 급속 충전이 가능하고, 고출력 전기를 낼 수 있어 재생에너지 발전시스템에 주로 쓰인다.

하지만 일반 배터리에 비해 에너지 저장용량이 적다는 한계가 있었다.

연구팀은 그래핀을 전극 소재로 활용하기 위해 높은 전기전도도와 넓은 비표면적을 지닌 분말형 그래핀에 불순물을 섞는 도핑공정을 적용했다. 기존 분말형 그래핀의 도핑은 불순물 제거를 위한 추가 공정이 필요하고, 도핑 원소의 적정 함량을 제어하기 어려웠다.

연구팀은 자체 개발한 유전체장벽방전 반응기(부도체 표면의 전하를 축적해 높은 전기를 발생시켜 플라즈마를 만드는 기기)를 통해 상압에서 플라즈마를 발생시켜 분말 그래핀에 불소 이온을 결합시키는 건식공정을 구현함으로써, 대량의 분말 그래핀에 불소를 도핑하는 데 성공했다.

연구팀은 불소가 도핑된 분말 그래핀이 공유결합과이온결합의 중간 성질의 '준이온 결합'을 통해 슈퍼커패시터의 성능을 높인다는 사실을 확인했다.

문준희 기초지원연 박사는 "건식으로 분말 그래핀의 대량 도핑기법을 개발하고, 이를 통해 형성된 준이온 결합이 슈퍼커패시터의 성능 향상에 미치는 효과가 크다는 것을 밝혀냈다는 데 의미가 있다"며 "친환경차, 스마트미터, 물류자동화 장비 등 고성능 슈퍼커패시터 상용화에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 화학분야 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(지난 8월 31일자)' 온라인판에 실렸으며, 심욱 전남대 교수 연구팀, 최희채 독일 쾰른대 박사 연구팀, 석동찬 핵융합에너지연구원 연구팀 등이 연구에 참여했다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr