나노탄소 복합구조체를 이용한 형태 가변형 슈퍼커패시터 제작에 관한 연구

Abstract

세계적으로 에너지 공급 및 저장 장치의 수요가 증가함에 따라, 우수한 에너지 효율 과 더불어 경제적이며 친환경적인 에너지 저장 시스템에 관한 연구가 활발히 진행중이다. 그 중에서도, 슈퍼커패시터는 반영구적인 수명, 빠른 충 · 방전 속도 및 높은 출력 밀도로 인해 가장 유망한 매체로 주목 받고 있다. 본 연구에서는 고성능 슈퍼커패시터 개발을 목적으로 레이저 유도 다공성 그래핀에 대나무형 탄소나노튜브를 성장시켜 나노탄소 소재 기반 복합구조체를 제작하였다. 대나무형 탄소나노튜브는 구리 전기 도금된 레이저 유도 그래핀을 기판으로 하여 화학기상증착 방법으로 합성하였다. 합성된 나노탄소 복합소재는 레이저 유도 그래핀의 공극을 채워 전하 저장 공간과 전기 전도도 향상시켰다. 또한, 다공성 레이저 유도 그래핀의 마이크로 크기의 공극으로 인해 발생하는 낮은 패킹 밀도를 개선하여 기공 이용률을 극대화 하였다. 그 결과, 제작된 나노탄소 복합구조체는 1.87 μWh/cm2의 높은 비면적 에너지 밀도를 나타내었으며, 레이저 유도 그래핀 기반 슈퍼커패시터의 0.19 μWh/cm2 밀도보다 약 10 배 정도 향상된 성능을 보였다. 추가적으로, 유연 및 웨어러블 소자에 적용하기 위해 키리가미 패턴 형태의 전극을 설계하여 전고체 슈퍼커패시터를 제조하였다. 제작된 전고체 슈퍼커패시터는 다양한 기계적 변형 하에서도 우수한 전기화학적 및 기계적 안정성을 나타냈었다. 연구 결과, 레이저 유도 그래핀 기반 나노탄소 복합 소재의 고밀도화 전략은 차후 에너지 저장 장치 제조에 효과적으로 활용될 것이다.