- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.