목재상 레이저-유도-그래핀 기반 친환경 마이크로 수도커패시터 제조

Abstract

슈퍼커패시터는 리튬 이차전지 대비 1,000 배 이상의 높은 출력 밀도와 3 배 이상의 빠른 충·방전 속도, 그리고 우수한 사이클 수명으로 주목받고 있는 차세대 에너지 저장 소자이다. 그러나 기존에 슈퍼커패시터의 전극 물질로 사용되는 활성탄의 경우 무연탄 등의 화석 연료를 700oC 이상의 고온에서 탄화시키거나 수산화나트륨 등의 알칼리성 용액에 첨착시키는 활성화 과정이 필요하다. 이 과정에서 발생하는 온실가스 및 화학 폐기물 등이 산림 파괴와 환경 오염을 유발하고 있으며 탄소 중립과 지속가능한 발전을 위해서 기존의 활성탄 제작 방식을 친환경적으로 대체하는 것이 필수적으로 요구되는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 펨토초 레이저 직접묘화법을 통해 친환경적으로 레이저-유도-그래핀을 생성하고 이를 슈퍼커패시터의 전극 물질로 응용하고자 한다. 흔히 구할 수 있는 폐목재에 대해 펨토초 레이저를 조사하면 주변 가스 조절, 전구체 합성 등의 복잡한 공정 제어 없이 수 μm 두께의 다공성 그래핀을 친환경적으로 생성할 수 있다. 위와 같이 생성한 레이저-유도-그래핀 위에 환경친화적인 화합물인 망간 옥사이드를 추가로 형성함으로써 슈퍼커패시터 대비 에너지 밀도를 향상한 친환경 수도커패시터를 생성할 수 있다. 유연한 디자인이 가능한 레이저 직접묘화법의 강점을 활용하여 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하였으며 이 디바이스의 성능 또한 분석하였다. 이렇게 제작한 레이저-유도-그래핀의 표면 및 미세 구조를 주사전자현미경 관찰 및 X-선 회절 분석법 등을 통해 분석하였고 전기화학 특성 평가를 위해 순환 전압전류 주사법 및 정전류 충·방전 시험법을 진행하였다.