차세대 배터리 및 광학 응용을 위한 고 황 함유 고분자의 표면 개질에 관한 연구

Abstract

황은 자연환경과 밀접한 관계 속에서 상호 작용하기 때문에, 인류의 삶에 큰 영향을 미친다. 또한 황은 전 세계적인 에너지 사용량 증가로, 원유정제 과정 속에서 폐기물로서 과잉 생산되고 있는 실정이다. 하지만 황은 높은 전기화학적 용량, 높은 굴절률과 같은 여러 가지 장점이 있고 이에 따라 저렴하고 풍부한 양의 황을 응용하는 방안에 대해 많은 관심이 쏠리고 있다. 황의 낮은 가공성을 역 가황 반응을 통해 개선한바 있으나, 여전히 황이 갖는 폴리설파이드(Poly sulfide, PS)의 생성으로 인한 낮은 전기용량 유지율 (Capacity retention)을 보이는 점과 높은 굴절률로 인한 많은 반사율 등이 문제점으로 지적되고 있다.

본 석사 학위 논문에서는 황의 분자구조 개질 및 표면 개질을 통해 기능성 및 가공성을 향상시킴으로써 광학소자 및 차세대 배터리 양극제 등 다양한 분야로의 활용에 관한 연구를 진행하였다. 역 가황 반응을 통해 합성한 황 함유 고분자를 고온에서 용매에 녹인 후, 스핀코팅 처리를 통해 박막의 형태로 가공할 수 있는 방법을 개발하였다. 이를 개시 기상증착 방법을 통해 다른 특성의 고분자를 코팅함으로서 2중층을 갖는 고분자 박막을 형성할 수 있음을 보였다. 이를 광학 소자에 적용했을 시, 자외선과 적외선 부분에서 단일의 황 고분자 보다 낮은 반사율을 보였는데, 이는 프레넬 방정식(Fresnel equations)을 통해 예측된 반사율의 감소와 유사한 경향성을 보인 것으로, 박막 이중층이 반사방지막으로서의 역할에 잘 기여하였음을 보여주었다. 또한 이를 배터리 양극제로 적용한 결과, 기존의 황 고분자를 사용한 양극제가 보인, 폴리설파이드로 인한 낮은 전기 용량 유지율을 보다 개선시킬 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 황 고분자와 개시 기상증착 된 다른 고분자 사이에 물리적 흡착으로 예상되는 부착력보다 큰 이중층을 형성함을 알 수 있다. 이를 통해 기판으로 쓰인 황 고분자의 일부 황 결합들이 끓어지면서 개시 기상증착 과정에서 새롭게 유입된 단량체들과 반응이 이루어져, 그래프팅(Grafting)이 형성되는 메커니즘을 간접적으로 증명할 수 있었다.