나노기술 및 정책 정보

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  토호쿠대학(東北大學) 원자분자재료과학고등연구기구의 M. W.Chen(陳明偉) 교수 연구 그룹은 3차원 나노포러스 금속/산화물 하이브리드 전극을 채용한 고성능 전기화학 커패시터 의 개발에 성공했다. 이는 고전력, 고에너지 저장·공급을 위한 차세대 슈퍼커패시터 개발에 있어서 매우 중요한 성과이다. 본 연구 성과는 2011년 2월 20일 영국 과
학지「Nature Nanotechnology」의 온라인 판에 게재되었다.
  1971년 절전 장치로 사용된 이래, 전기이중층 커패시터(또는 슈퍼커패시터)는 고출력과 긴 수명을 겸비하여 휴대용 기기에서부터 하이브리드 전기자동차에까지 폭넓게 응용되는등 지금까지 큰 주목을 받고 있다. 슈퍼커패시터는 뛰어난 사이클 수명을 가진 고전력 공급원이지만, 이들의 에너지 밀도는 종래의 전지나 많은 응용에서 필요한 값에는 크게 미치지 못했다. 예를 들면, 종래의 슈퍼커패시터의 저장 에너지 밀도는 약 100 F/㎤(혹은 150 F/g)정도였다. 망간산화물(MnO2)과 같은 유사용량 금속산화물을 슈퍼커패시터 중의 전극으로 사용하는 것이 유효하지만, MnO2의 나쁜 전기전도성(10-5-10-6 S cm-1) 때문에 지금까지 충분한 성능을 내지 못했다. 본 연구에서는 고성능 슈퍼커패시터에의 응용을 위해, 신규 나노포러스　금속/산화물(Au/MnO2) 하이브리드 전극재료를 개발했다(그림 1).

   이 하이브리드 재료는 독립된 3차원나노포러스 금 박막에 나노 결정 MnO2를 무전해 도금하여 얻은 것으로, MnO2의 전석량(電析量)(두께)은 도금 시간으로 제어할 수 있다. 그림2(a)에 나노포러스 금/MnO2 하이브리드 박막의 전형적인 투과전자현미경상을 나타냈다. 이것으로 나노 결정 MnO2이 일정하게 나노포러스 위에 도금되고 있는 것을 알 수 있다.
  Au/MnO2 계면의 주사형 투과전자현미경상(그림 2(b))에서는 나노결정 MnO2가 금의 리가멘트(ligament)에 에 피택셜성장(Epitaxial Growth)하고 있는 모양이 관찰되어, 화학결합한 금속/산화물 계면이 형성되고 있는 것을 알 수 있다. 나노 결정　MnO2와 금의 양호한 밀착에 의해 이 하이브리드 재료의 전기전도성이 현저하게 개선된다. 전기화학측정을 통해 이 하이브리드 전극재료가 1160 F/㎤(601F/g)에 달하는 높은 전력·에너지 밀도, 반복 사용에 대한 높은 안정성을 가지고 있는 것을 알았다. 개발된 하이브리드 재료는 고에너지 저장밀도와 고도의 전력공급을 겸비한 차세대의 슈퍼커패시터가 될 것으로 기대된다.
  금은 귀금속이기 때문에 연구진은 나노포러스 구리와 같은 저렴한 재료로 전환하여, 저렴하면서도 고성능의 슈퍼커패시터를 개발할 계획이다.