레이저 유도 그래핀의 개발을 선도했던 라이스 대학(Rice University) 연구팀이, 유연한 고체 상태의 마이크로슈퍼커패시터(microsupercapacitor)에 그래핀을 결합시킴으로써 최상의 에너지 저장 및 전달에 적합한 상태를 구현하는데 성공하였다.

라이스대학 화학자인 James Tour가 개발한 기기는 전자기기 및 의복에 장착될 수 있다. 본 연구결과는 Advanced Materials ("High-Performance Pseudocapacitive Microsupercapacitors from Laser-Induced Graphene")지에 게재되었다.

마이크로슈퍼커패시터는 전지가 아니지만, 기술이 향상됨에 따라 전지에 한층 더 가까워지고 있다. 전형적인 커패시터는 필요한 에너지를 충전하고 방전하는데 오랜 시간이 걸리는 리튬 이온 전지와는 달리, 카메라의 플래시처럼 빠르고 에너지를 저장하고 방출한다.

연구팀이 개발한 마이크로슈퍼커패시터는 전지보다 충전속도가 50배 빠르며, 전형적인 커패시터보다 더 천천히 방전한다. 또한 에너지를 저장하는 양이라 생성하는 전력의 양이 상업용 슈퍼커패시터와 유사한 정도에 이른다.

본 기기를 상온의 대기 중에서 플라스틱 시트를 상업용 레이저를 이용한 전극 패턴을 형성하면서 제작하는데, 마이크로슈퍼커패시터의 저변확대를 위해 필요한 복잡한 제조공정을 제거했다는 성공을 이루었다. 연구팀은 비용-효과적인 롤-투-롤(roll-to-roll) 제조방법을 고려하고 있다.

현재 마이크로슈퍼커패시터를 제조하는 것은 쉬운 일이 아니다. 마이크로슈퍼커패시터 제작을 위해서는 여러 번의 리소그래피(lithography) 공정을 거쳐야만 한다. 그러나 개발된 방법은 단 수 분 정도만 걸린다. 패턴을 형성하고 전해질을 첨가한 후 포장하면 된다고 연구팀은 강조하였다.

개발된 마이크로슈퍼커패시터의 전기용량은 단위 센티미터당 934μF (마이크로패럿)이며, 에너지 밀도는 입방 센티미터당 3.2 mW에 달하며, 상업용 리튬 박막 전지와 경쟁할 수 있는 수준이다. 또한 전지보다 전력밀도는 100배 이상 높다. 개발된 기기는 내구성이 좋고 10,000회 반복적으로 구부렸을 때에도 기계적 안정성을 유지한다.

에너지 밀도는 레이저 유도 그래핀(laser-induced graphene)의 특성에 기인한 것이다. Tour의 연구팀은 작년 연구에서, 상업용 폴리이미드(polyimide) 플라스틱 시트를 레이저로 가열하면 최상 층의 탄소를 제외하고는 나머지가 모두 연소되면서 그래핀 형태만 남는다는 사실을 발견하였다. 그러나 육각형 형태의 원자로 구성된 편평한 형태의 링이 아닌, 폴리이미드에 그래핀 플레이크(flake)가 부착된 표면적이 매우 넓은 스펀지 형태로 형성된다.

연구팀은 레이저를 이용해 제작한 그래핀 패턴에, 전착(electrodeposition)이라는 방법을 통해 이산화망간(manganese dioxide), 페릭 옥시하이드록사이드(ferric oxyhydroxide) 혹은 폴리아닐린(polyaniline)으로 처리하였고, 최종 물질의 조성을 조절하여 음극 및 양극을 만들어냈다. 이것을 고체 상태의 마이크로슈퍼커패시터로 만들었는데, 여기에는 결합제(binder), 분리막(separator) 및 집전장치(current collector)를 필요로 하지 않는다.

Tour는 에너지 저장 시스템이 수 시간이 아닌 수 분 만에 충전됨에 따라 조만간 슈퍼커패시터가 전지를 완전히 대체할 날이 도래할 것이라고 확신하고 있다. 현재 연구성과가 그 정도에 이르지는 못했지만, 점점 근접해 가고 있다. 그 사이에 연구팀은 전지의 출력을 높이는데 보조적으로 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』