3차원 환원된 그래핀 옥사이드 구조체의 제조 및 열에너지 저장/슈퍼캐패시터 응용

Abstract

한 층의 탄소 원자로 이루어진 2차원 탄소 동소체인 그래핀은 지난 2004년의 획기적 발견 이후 전 세계적으로 집중적인 관심을 받아 왔다. 그래핀 물질은 높은 비표면적, 역학적 안정성 그리고 뛰어난 열/전기 전도도 등의 특별한 성능을 보인다. 특히, 그래핀의 높은 비표면적과 역학적 안정성으로 인해 그래핀을 3차원 구조로 제조해 다양한 방면으로 응용하는 연구가 계속 진행되었으며, 지금까지 다양한 3차원 그래핀 구조체의 제조 방법이 개발되어왔다. 하지만, 저비용, 친환경적인 그래핀의 다차원 구조체 제조는 아직 많은 연구가 필요하다. 본 논문에서는 플라즈마 환원방법 / L-아스코르브산 환원방법을 이용하여 3차원의 환원된 그래핀 옥사이드 구조체를 제조하였으며, 이들의 형성 메커니즘을 체계적으로 고찰하였고, 아울러 슈퍼캐패시터 전극과 상변화물질의 지지체로의 응용에 대해 살펴보았다. 플라즈마 환원방법으로, 먼저 흑연을 화학적 박리하여 제조한 그래핀 옥사이드를 물에 분산시킨 후 진공 여과하여 얻은 그래핀 옥사이드 필름에 상압 플라즈마를 20초 간 처리하여 3차원으로 확장된 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 제조하였다. 더불어, 사용하는 상압 플라즈마의 출력을 조절함에 따라서 최종적인 환원된 그래핀 옥사이드의 성질 또한 조절 할 수 있었다. 상기 방법은 기존의 환원 방식에서 사용하던 높은 에너지 출력과 하이드라진과 같은 유독성 화합물을 요구하지 않을뿐더러, 기존의 플라즈마 방식에서 필수적인 고진공 조건 없이도 우수한 성능의 그래핀 물질을 신속하게 제조할 수 있다는 장점이 있다. L-아스코르브산 환원방법으로, 그래핀 옥사이드 용액을 L-아스코르브산을 이용해 환원 시 자발적으로 3차원 환원된 그래핀 옥사이드 구조체가 형성됨을 관찰하였다. 위 방식은 기존의 환원 방식과 달리 그래핀 옥사이드 용액의 환원 과정 중에 3차원 환원된 그래핀 옥사이드 구조체의 형성이 자발적으로 일어나며, 최초의 그래핀 옥사이드 용액의 농도를 조절함에 따라 얻어지는 환원된 그래핀 옥사이드 구조체의 기공 크기와 밀도가 조절됨을 관찰하였다. 또한 L-아스코르브산과 같은 친환경 환원제의 사용으로도 기존의 화학적 환원 방식과 비견될 수준의 고품질 3차원 그래핀 구조체를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서 새롭게 개발한 플라즈마 환원방법 / L-아스코르브산 환원방법은 기공 및 밀도 조절이 가능하며 비표면적이 증대된 새로운 종류의 그래핀 구조체 제조에 적용될 수 있으며, 이를 통해 슈퍼캐패시터 전극과 상변화물질를 포함한 여러가지 응용분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.