340…NICE, 제29권 제3호, 2011
신기술 소개
Electrochemical supercapacitor(EC)는 전달하는 electrical power가 크고 수명이 길다는 장점이 있지 만, 에너지 저장밀도가 너무 낮은 점이 문제로 지적되 고 있다. MnO2와 같은 pseudocapacitive 전이금속 산 화물은 비싸지 않고 환경에 유해하지 않으면서 커패 시턴스가 높기 때문에 EC 전극으로 많이 사용된다.
그러나 MnO2의 낮은 전도성이 충/방전 속도를 제한 하는 문제를 가지고 있는데, 최근 일본 Tohoku 대학 교의 Lang 등은 이러한 문제를 극복하고자 전도성이 개선된 nanoporous gold(NPG)와 nanocrystalline MnO2로 만들어진 복합구조 전극을 보고하였다. 이 구조에서 NPG는 MnO2를 통해서 전자가 전달되는 것을 가능하게 하며 MnO2와 전해질 사이의 빠른 확 산을 가능하게 한다. 이는 이론적인 값과 거의 유사한 MnO2의 커패시턴스를 가지는데 이와 같이 높은 커패 시턴스와 충/방전 속도를 가지는 구조는 높은 에너지
저장밀도와 높은 power가 결합된 EC 전극에 사용될 수 있는 매우 유망한 후보가 된다. 이 연구팀은 전도성 NPG를 제조하기 위하여 Ag/Au로 이루어진 합금을 HNO3에서 de-alloying하였고, 이렇게 제조된 NPG에 nancrystalline MnO2을 도금하여 100 nm 두께의 NPG/MnO2복합박막을 제작하였다. Nanocrystalline MnO2의 도금시간을 조절함으로써 MnO2의 적재 질 량을 제어할 수 있는데, 도금 시간이 5분 일 때 MnO2
의 적재 질량은 매우 작았다. 도금 시간을 10분, 20분 으로 늘리면 MnO2의 적재 질량이 증가하고 단위 질 량당 전류밀도는 도금되지 않은 NPG로 만들어진 전 극 보 다 훨 씬 높 았 다 . 이 러 한 결 과 로 pseudocapacitance 물질을 3차원 nanoporous 구조에 넣음으로써 커패시턴스가 상당히 증가한다는 것을 보 였다. 결과적으로 단위 부피당 커패시턴스와 전류밀 도는 pseudocapacitive MnO2의 적재량에 영향을 많 교해보았을 때, 밴드갭이 증가하면 mobility가 감소하
는 경향이 있다. 이와 같이 mobility가 낮은 MoS2의 단점을 개선하는 연구결과가 최근 보고되었다. 스위 스 EPFL(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)의 Radisavljevic 등은 상온에서 나노리본 graphene의 값과 비슷한 200 cm2V-1s-1의 mobility를 가지는 단층 MoS2를 보고하였다. 이 연구팀이 제작한 단층 MoS2은 graphene 나노리본보다 큰 밴드갭을 가 지며 지금까지 제조된 가장 얇은 실리콘 막 보다 더 얇지만 mobility가 더 높았다. 이 연구팀은 단층 MoS2
나노시트를 이용하여 트랜지스터도 제조하였는데 상 부 gate는 유전상수가 25 정도로 높은 halfnium oxide를 사용하였고 하부 gate 아래에 mobility가 200
cm2V-1s-1 이상인 단층 MoS2를 booster로 이용하였 다[그림 1(B), (C)]. 그리하여 상온에서 500 mV의 bias voltage를 인가하였을 때 on/off 전류비율이 1×
108 정도인 결과를 얻었다[그림 1(D)]. 또한 단층 MoS2는 직접적인 밴드갭을 가지기 때문에 electron- hole 재결합 시 음파의 형성이 일어나지 않아 전형적 인 트랜지스터보다 더 낮은 전력소모를 선호하는 interband tunnel FET을 구성하는데 사용될 수 있음 도 보였다. 이 연구팀이 개발한 단층 MoS2 트랜지스 터는 일반적인 실리콘 기반 전자소자의 성능수치와 유기도체와 관련된 공정의 용이성이 함께 결합되어 전자소자 산업에 중요한 역할을 하리라고 기대한다 [Nature Nanotechnology, Vol. 6, p. 147(2011)].
Nanoporous metal/oxide hybrid electrodes for
electrochemical supercapacitor
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 3, 2011…341 이 받고, 20분까지 도금시간을 증가시킴에 따라 급격
하게 증가하였다. 도금시간이 20분 이상으로 증가하 면 과량의 MnO2가 NPG의 nanopore를 막고 nancrystalline MnO2와 전해질 사이의 효율적인 접촉 을 막기 때문에 커패시턴스와 전류밀도가 감소하였다 [그림 1]. NPG/MnO2의 커패시턴스는 도금되지 않 은 NPG 보다 훨씬 높았고, 20분까지 MnO2의 도금시 간 증가는 더 높은 커패시턴스를 유발하였다. 금은 무 거운 성분이지만 20분 동안 도금된 MnO2전극으로부 터 601 F/g라는 커패시턴스를 얻을 수 있었는데 이 값은 다른 전극들과 비교했을 때 훨씬 높은 값이다.
NPG/MnO2 전극의 cyclic voltametry 응답에서 전
류는 모든 전극에서 scan rate에 따라 증가했다. 특히 scan rate가 50 mV/s일때 도금시간이 20분인 NPG/MnO2 전극의 커패시턴스는 1160 F/g이었는 데 이는 이전에 보고되었던 커패시턴스보다 훨씬 높 은 값이다[그림 2]. 이 전극의 커패시턴스는 충/방전 사이클을 500회 반복하여도 초기값의 80%를 유지하 였다. 이 연구팀이 개발한 NPG/MnO2 전극은 높은 커패시턴스와 에너지 밀도를 가지고 있고 순환 안전성 도 우수하므로 고효율 초고용량 커패시터 제작에 사용 될 수 있을 것이라 기대한다[Nature Nanotechnology, Vol. 6, p. 232(2011)].
그림 1. 도금시간에 따른 NPG/MnO2전극과 Ag65Au35/MnO2
전극의 volumetric capacitances.
그림 2. Scan rate에 따른 MnO2의 specific capacitance.
