그래핀 닮은꼴 ‘포스포린’으로 슈퍼커패시터 만든다

흑린에서 원자 한층 두께로 떼어내면
그래핀과 비슷한 원자 배열 만들어져
2차원 나노구조 산화상태 정밀제어해
고효율 슈퍼커패시터 신소재로 개발

포스포린-그래핀 복합체 표면의 산화된 인 관능기(-P)에서 수소이온과의 표면 산화·환원 반응에 에너지를 저장하는 모식도. 성균관대 제공

국내 연구진이 흑연에서 그래핀을 떼어내듯이 흑린에서 떼어낸 2차원 나노구조인 ‘포스포린’이 슈퍼커패시터 신소재로 활용될 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

성균관대 화학공학과 박호석 교수 연구팀은 11일 “2차원 포스포린을 나노구조로 제조한 뒤 표면의 산화 상태를 정밀하게 제어해 에너지 저장 장치로 사용할 수 있음을 규명했다”고 밝혔다. 연구팀 논문은 국제학술지 <네이처 머티리얼스> 10일(현지시각)치에 실렸다.

흑린은 검은 색 인(P)이 2차원으로 결합돼 있는 물질로 원자 한층 두께로 떼어내면 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 포스포린이 된다. 흑연에서 떼어낸 그래핀과 원자 배열은 비슷하지만 그래핀과 달리 밴드갭(띠틈)이 있어 전류를 제어하기 쉽다. 밴드갭이란 전자가 차 있는 밴드(원자가띠)와 전자가 비어 있는 밴드(전자띠)의 간격으로, 두 띠가 겹쳐 있으면 도체, 살짝 떨어져 있어 조건에 따라 전자가 이동할 수 있으면 반도체, 아예 전자가 뛰어넘을 수 없을 정도로 벌어져 있으면 부도체가 된다.

흑린은 흑연에 비해 7배 정도의 전기용량을 가지고 있음에도 부피가 300%로 크게 팽창하고 전기전도도가 낮은 점이 에너지 저장 장치로서 단점이다. 연구팀은 2차원 나노물질 합성 기술로 2차원 포스포린을 만든 뒤 산화상태를 정밀하게 제어해 표면 산화·환원 반응이 가능한 인 관능기(-P)를 도입했다. 관능기(작용기)란 수산기(-OH), 알데히드기(-CHO)처럼 화학적 특성이 같은 유기화합물들이 공통으로 지닌 결합방식을 말한다. 연구팀은 이런 과정을 거쳐 포스포린이 빠르고 가역적인 슈퍼커패시터처럼 거동하는 것을 관측과 이론 계산을 통해 규명했다. 슈퍼커패시터란 커패시터(콘덴서)의 전기 용량 성능을 중점적으로 강화한 것으로, 전기를 모아뒀다 방출하는 기능을 한다. 카메라용 플래시를 터뜨리거나, 자동차 시동과 급가속처럼 순간적으로 고출력이 필요할 때 사용된다.

연구팀이 2차원 포스포린을 전극 소재로 활용해보니 고속 충·방전 때에도 충전 대비 방전 용량이 99.6%로 유지되는 우수한 성능을 보였다. 또 5만번 가량 장기 충·방전을 해도 91%의 용량을 유지하는 안정성을 나타냈다.

연구팀은 “에너지 저장 소재뿐만 아니라 연료전지, 태양전지, 액추에이터, 센서, 전기화학 촉매 등 다양한 전기 화학 시스템의 성능을 개선하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이근영 선임기자 [e-mail]