1. 연구배경

전기화학적 커패시터인 슈퍼커패시터는 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 충전하고 방출 (고출력) 할 수 있는 특성으로 인하여 중요한 에너지저장 장치로 개발되고 사용되어져 왔다. 슈퍼캐패시터 중 상용화로 사용되고 있는 활성화 카본과 같은 탄소를 기반으로 한 슈퍼커패시터는 전기 화학적 이중층에 이온을 머물게 하여 표면적에서의 상호작용을 이용하여 전자를 저장하였으며, 금속산화물을 기반으로 한 슈퍼커패시터는 물질과 이온의 화학적인 반응을 이용하여 전기 에너지를 저장하였다. 하지만 탄소기반의 슈퍼커패시터는 높은 충방전 속도와 긴 수명을 가지는데 반하여 고용량의 에너지를 저장하지 못하는 단점을 가졌으며, 금속산화물 기반의 슈퍼커패시터는 화학적 반응을 이용하여 충방전 속도가 느리고 수명이 짧은 단점을 가지고 있었다.

금속유기구조체 (Metal-organic frameworks, MOFs)는 탄소기반의 유기물과 금속산화물 기반의 금속 클러스터의 주기적인 결합으로 이루어져 높은 표면적과 기공성을 가지는 물질로 탄소기반물질의 장점과 금속산화물의 장점을 동시에 가지고 있는 물질이다. 또한 유기물과 금속 클러스터 부분을 각각 조절하여 다른 물질로 디자인 할 수 있어, 최적화 시킨 물질을 합성하고 이를 이용하여 슈퍼커패시터를 만들 경우 고출력 및 긴 수명뿐만 아니라 고용량의 슈퍼커패시터 디바이스를 만들 수 있을 것으로 여겨져 왔지만, 구조적으로 가지는 약한 전기전도성으로 인하여 슈퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 저장을 위한 응용은 이루어지지 못하고 있었다.

2. 연구내용

이에 강정구 교수를 필두로 한 연구팀은 금속유기구조체를 나노크기의 입자로 합성하고 그래핀과 함께 필름형태의 전극을 만드는 방법을 고안하였으며 이 필름을 이용하여 실제 슈퍼커패시터 디바이스를 만드는데 성공하였다. 이 방법은 고출력을 유지하면서 고용량과 긴 수명을 가지는 에너지 저장 장치를 제조 할 수 있어 전기저장을 필요로 하는 모든 분야에 다양한 이용이 가능 할 것으로 사료된다.

또한 연구팀은 금속유기물질을 이루는 유기물과 금속 클러스터를 디자인 하고 다르게 조합하여 24개의 다른 구조를 나노크기로 만들고 각각 슈퍼커패시터를 제작한 뒤 특성을 비교함으로서 각각의 구조적 변수에 따른 전기저장 성능의 효과를 연구하였다. 유기물에서의 기능성 분자의 효과, 금속 산화물에서의 조성의 효과, 기공의 크기효과, 금속유기구조체 구조적 효과, 결정크기의 효과 등이 실제 전기저장 소자로 제조되었을 때 디바이스의 용량, 출력 및 수명에 각각 어떠한 효과를 가지는지를 밝혀 낼 수 있었다.

또한 이러한 변수의 조절능력을 바탕으로 전기저장에 가장 유리한 구조를 가지는 금속유기구조체를 합성함으로서 기존의 탄소기반물질에 비하여 6배의 고용량과 가지는 금속유기구조체 기반의 슈퍼커패시터를 제조 할 수 있었다. 또한 이렇데 제조된 슈퍼커패시터는 고용량과 고출력을 유지하면서 1만번 이상의 수명을 보여 이렇게 제조된 디바이스가 베터리와 같은 많은 에너지를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 배터리의 단점인 고출력을 얻을 수 있는 독립적인 에너지 저장 장치로 이용될 수 있음을 보여주었다.

3. 기대효과

이번 성과는 기존의 불가능 하였던 비전도성 금속유기물질과 전도성이 우수한 그래핀을 하이브리드 소재 구현을 통해서 초고성능의 에너지 저장용 소재의 구현이 가능하다는 것을 입증하다는 선례로써, 향후 다양한 기능성을 가지는 새로운 다양한 하이브리드 소재의 디자인을 통해서 미래용 전기자동차 및 모바일 디바이스 등 초고용량의 에너지 밀도와 빠른 충방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 획기적인 에너지 저장 원천소재의 산업에 적용되어 국부창출의 근간이 될 것으로 기대된다.