응용화학과 이민형·김명준 교수 연구팀이 컴퓨터 DVD를 이용해 저장용량을 키우고 안정성을 높인 마이크로 슈퍼캐패시터를 쉽게 제작할 방법을 개발했다. 연구 결과는 지난 7월 국제학술지 <NPG Asia Materials> 온라인에 게재됐으며, 특집 논문(Featured Article)으로 선정됐다. 사진 왼쪽부터 연구팀 응용화학과 정재렬(박사과정), 이정준(석사과정) 학생.

응용화학과 이민형·김명준 교수 연구팀, 마이크로 슈퍼캐패시터 설계 방법 개발
컴퓨터 DVD 이용해 손쉽게 제작, 저장용량 키우고 안정성 높여
국제학술지 <NPG Asia Materials> 온라인 게재, 특집 논문으로 선정

컴퓨터 DVD를 이용해 저장용량을 키우고 안정성을 높인 마이크로 슈퍼캐패시터(super-capacitor)를 쉽게 제작할 수 있게 됐다. 캐패시터는 축전기(蓄電器)로, 절연체를 사이에 둔 두 개의 금속으로 이뤄져 전하 혹은 전기에너지를 저장할 수 있는 장치이다. 보통 회로를 보호하기 위해 쓰이는데, 비상용으로 전원을 공급해주거나 보조전원수단으로 사용돼왔다. 응용화학과 이민형·김명준 교수 연구팀은 DVD의 적외선 레이저를 활용해 그래핀 물질과 무기산화물을 동시에 마이크로 패턴 형태로 성장시키는 방법을 개발해 슈퍼캐패시터의 성능을 높였다. 연구 결과는 지난 7월 국제학술지 <NPG Asia Materials> 온라인에 게재됐으며(논문명: In situ formation of graphene/metal oxide composites for high-energy microsupercapacitors), 특집 논문(Featured Article)으로 선정됐다.

다양한 전극 소재에 적합한 그래핀의 특성을 활용해 전기 디바이스를 개발하려는 시도가 있어왔으나, 그래핀은 다루기 쉽지 않고 화학적 개질이 어렵다는 한계도 있었다. 연구팀은 DVD 내부의 적외선 레이저로 그래핀 패턴을 형성하는 동시에 저장용량을 늘리기 위해 산화아연 나노막대를 그래핀 위에 선택적으로 형성하는 마이크로 패턴 기법을 개발해 마이크로 슈퍼캐패시터 장치를 간편하게 제작하는 데 성공했다. 일반 PC의 DVD 드라이브와 레이블용 이미지 소프트웨어를 활용해 전문성이 없는 사람도 손쉽게 다양한 패턴 구조로 슈퍼캐패시터를 제작할 수 있다는 것이 장점이다.

이민형 교수는 “용액상으로 합성되던 산화그래핀과 금속산화물은 패턴 형성이 어려워 소자개발에 한계가 있었지만, 이번 연구를 통해 개발된 방법을 적용하면 전극이 되는 그래핀의 패턴을 형성하는 동시에 반도체 재료인 금속산화물을 원하는 위치에 성장시킬 수 있어 반도체 디바이스 제작을 매우 간편하게 할 수 있다”라며 “다양한 디바이스 연구에 파급효과를 일으킬 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

적외선 레이저를 이용한 산화그래핀의 환원과 산화아연 성장 핵 합성 과정. 연구팀은 산화그래핀의 환원을 통해 국부적으로 높은 열에너지가 발산하며, 이를 이용해 산화아연을 성장시키기 위한 핵을 그래핀 전극상 원하는 위치에 합성할 수 있음을 확인했다.

전기적 에너지 저장 방법에 화학적 에너지 저장 방법 접목
산화그래핀을 환원시키는 방법은 다양한데, 그중 레이저를 이용한 방법은 쉬울 뿐 아니라 원하는 부분만 환원시킬 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 만들어진 그래핀 유도체들은 에너지 저장매체로서 적합한 특성이 있어, 센서나 초고용량 캐패시터 및 전자장치 등을 위주로 연구돼왔다. 그러나 일반적인 캐패시터의 경우, 산화환원을 통한 화학반응을 사용하는 배터리보다 충？방전 속도는 빠르지만, 에너지 저장용량 및 보존 능력, 내구성 등에 한계가 있었다. 따라서 배터리와 캐패시터의 특성, 즉 화학적, 전기적 에너지를 모두 이용하는 마이크로 슈퍼캐패시터는 차세대 에너지 저장매체로 소재 분야에서 주목받아 왔다.

연구팀은 먼저 친수성 처리를 한 필름 위에 산화그래핀을 도포해 산화그래핀 기판을 만든 후, 그 위에 산화아연을 성장시키기 위한 핵을 코팅하고 CD 위에 붙였다. 이를 라이트 스크라이브(Light scribe) 기능이 있는 광학 드라이브에 넣고 프로그램을 통해 원하는 도안을 그려 산화그래핀을 부분적으로 환원시켜 패턴이 그려진 기판을 얻었다.

산화아연은 수열합성법으로 합성되는데, 수용액 상태에서 수산화아연 이온들이 부분적으로 극성을 띄는 상태로 반응하기 때문에 막대 형태로 자라나게 된다. 기존에는 수열합성법으로 성장한 산화아연의 위치를 제어하려면 정교하고 복잡한 방법을 통해서만 가능했다. 하지만 이 연구 방법을 적용하면 쉽게 구할 수 있는 DVD 드라이브의 레이저로 직접 패턴을 조절해가며 산화아연의 성장 위치를 쉽게 제어할 수 있다.

전기적 에너지 저장 방법에 화학적 에너지 저장 방법을 접목해 기존의 캐패시터보다 용량뿐 아니라 장기간 에너지를 보존할 수 있는 능력도 높였다. 기판을 제작할 때 비교적 다루기 쉬운 컴퓨터 소프트웨어만을 이용하면 돼 다른 소재에 적용 및 응용 또한 유용하다. 특히 회로의 모양에 따라 캐패시터의 특성 또한 변하기 때문에 이를 통해 다양한 방향으로 특성을 제어할 수 있을 것으로 보인다.

선형 그래핀 패턴 위에서 산화아연 나노 막대가 성장한 모습. 연구팀은 적외선 레이저를 조사해 그래핀과 산화아연 성장 핵을 동시에 원하는 패턴 형태로 합성했고, 추가 성장을 통해 특정 영역에 산화아연 나노막대를 선택적으로 성장시켰다.

다양한 디바이스에 적용, 마이크로 디바이스 제작 또한 용이할 것
이번 공동연구팀에는 응용화학과 정재렬(제1 저자, 박사과정), 정재민(제1 저자, 석사, LG화학 배터리사업부), 이정준 (석사과정), 이상화(석사) 학생이 저자로 참여했다. 이번 연구에서 어려운 점은 무엇이었는지 묻자 정재렬 학생은 “미세하고 민감한 합성과정을 진행하다 보니 환경이 조금만 달라져도 결과가 다르게 나타나 계속 같은 환경을 만들어야 했다. 환원된 산화그래핀 위에 산화아연이 성장하지 않거나, 오히려 기판 전체에 성장하는 경우도 있었고, 패턴 전체가 사라지기도 했다”라며 “실험을 자주 반복하면서 손에 익혔고, 우리가 원하는 특정 구역에만 산화아연을 성장시킬 수 있게 됐다”라고 설명했다.

기존 연구와 다른 점에 대해서 이정준 학생은 “기존에는 다양한 형태의 기판 제작이 쉽지 않았다. 그래서 원하는 디바이스를 제작하는 데 어려움을 겪었는데, 이번 연구의 경우 원하는 부분에 소재 물질을 자유롭게 합성할 수 있고, 사이즈 조절도 가능하다. 방법 또한 쉽다”라며 “다양한 디바이스에 적용할 수 있고, 이를 이용해 마이크로 디바이스의 제작 또한 용이할 것으로 보인다”라고 언급했다.

향후 계획을 묻자 정재렬 학생은 “박사 후 과정을 생각하고 있다. 새벽이나 주말에도 연구실에 나와 실험이 잘 되고 있는지 확인하곤 하는데, 호기심을 해결하는 데서 연구의 재미를 느낀다”라며 “촉매, 배터리 및 슈퍼캐패시터와 같은 에너지 저장 장치, 촉매 등을 연구하고 있다. 이들 모두 무기 소재라는 공통된 주제 안에 묶여 있는데, 무기 소재를 다양하게 응용하는 연구를 계속해나가고 싶다. 가능하면 좀 더 좋은 에너지 저장 소재를 개발할 수 있는 연구자가 되고 싶다”라고 말했다.

학부 연구생 때부터 여러 연구에 참여해왔다는 이정준 학생은 “직접 손으로 만지고 눈으로 보며 이론과 실제가 맞아떨어지는 게 흥미로워 대학원에 진학하게 됐는데, 좋은 저널에 논문을 발표할 수 있어 뜻깊다”라며 “남은 기간 지금 준비하고 있는 다른 논문, 실험을 최대한 마무리할 계획이다. 여러 사정으로 취업을 준비하고 있지만, 나중에 기회가 된다면 연구에 매진해보고 싶다”라고 밝혔다.

이 연구는 충남대학교 전기공학과 나정효 교수 연구팀과 함께했으며, 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 미래소재디스커버리사업, 삼성전자의 지원으로 수행됐다.

글 박은지 sloweunz@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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