기획특집: 그래핀 응용기술 - cheric.org · 있다[2]. 위의 경우 충방전 사이클의 안정성은 떨 어지지만 에너지 밀도는 edlc에 비해 뛰어난 특

KIC News, Volume 16, No. 3, 2013 35

그래핀 에너지 저장소자 응용

정 승 열†․정 희 진․백 강 준․한 중 탁․이 건 웅†

한국전기연구원, 나노융합기술연구센터 나노카본소재연구그룹

Application of Graphene-Based Energy Storage Device

Seung Yol Jeong†, Hee Jin Jeong, Gang Jun Baeg, Joong Tark Han, and Geon-Woong Lee

†

Nano Carbon Materials Research Group, Korea Electrotechnology Research Institute,

Gyeongsangnam-do 641-120, Korea

Abstract: 그래핀은 2차원 구조를 갖는 나노카본 소재 중 하나이며, 전기․기계적, 물리적, 화학적 특성이 매우 뛰어나

다. 특히 넓은 비표면적 및 뛰어난 전기전도도의 특성을 갖기 때문에 수퍼커패시터 및 이차전지와 같은 에너지 저장소

자의 응용이 가능하다. 이 글은 응용소재로서 그래핀 및 그래핀 하이브리드에 대해 논하고자 한다.

Keywords: Chemicallly modified graphene, energy storage, surface area, conductivity, catalytic activity

1. 그래핀 에너지 저장소자

1)

오늘날 에너지 저장소자는 다양한 전자기기의

발전을 통하여 소형화, 고효율 및 그린에너지 자

원에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이를 위한 유

망한 물질로서 그래핀 및 그래핀 하이브리드와 같

은 뛰어난 전기화학적 특성을 지니고 있는 나노재

료가 각광받고 있으며 전 세계적으로 수퍼커패시

터, 배터리 및 연료전지 등과 같은 에너지 저장소

자에 응용하기 위한 연구를 진행 중이다. 본 리뷰

에서는 그래핀의 전기화학적 특성 및 고효율 에너지

저장소자의 응용 가능성에 대하여 논하고자 한다.

1.1. 그래핀 수퍼커패시터(Graphene Super-

capacitor)

수퍼커패시터(Supercapacitor)는 고출력, 10년

이상의 장기신뢰성 및 반영구적이며 빠른 충방전

cycle 특성과 함께 탄소소재 중심의 친환경적 원

료를 사용함에 따라 기존의 메모리 백업 전원 시

장에서 탈피하여 수송, 기계 및 제생에너지 발전

†주저자 (E-mail: [email protected], [email protected])

분야에서의 고출력 전원으로서 사용 가능하다[1].

이와 같이 수퍼커패시터는 고출력을 갖는 특성을

지니고 있지만 에너지밀도는 배터리나 연료전지

에 비해서 낮은 특성을 갖는다. 수퍼커패시터는

일반적으로 양극과 음극의 두 전극으로 구성되어

져 있으며 모두 탄소기반 재료를 사용한다. 또한,

집전체로서 금속포일 또는 탄소기반 폴리머를 주

로 사용하고 있다(Figure 1). 기본 개념은 다음과

같다. 수퍼커패시터는 울트라커패시터(ultracapa-

citor), 또는 전기화학커패시터(electrochemical ca-

pacitor)로도 불리우며 정전기적 인력에 의한 전기

화학적 에너지를 저장한다. 따라서 에너지 저장용

량은 전극의 비표면적에 의해 매우 민감하게 작용

한다. 에너지를 저장하는 메커니즘은 크게 두 가

지로 나뉠 수 있다. 첫째, 전기이중층(Electric

double layer capacitor: EDLC)과 둘째 준커패시터

(Psuedocapacitor)이다. 전기이중층 거동을 보이는

커패시터의 경우 전하는 활성전극에서 전해액에

의한 이온들의 가역적인 흡탈착에 의한 정전기력

에 의해 저장된다. 이때 사용되는 활성전극은 전

기화학적으로 안정해야 하며 이온의 흡․탈착을

많이 시킬 수 있도록 비표면적이 넓어야 한다. 또

기획특집: 그래핀 응용기술


36 공업화학 전망, 제16권 제3호, 2013

Figure 1. 수퍼커패시터의 원리 및 셀 제작을 나타내는 모식도.

한, EDLC 전극에서 패러데익 반응(Faradaic reac-

tion)인 산화환원반응(redox reaction)이 일어나지

않아야 한다. 이와 같이 전극의 표면을 이용한 저

장 메커니즘은 매우 빠른 에너지의 저장과 수송을

통한 고출력을 유도할 수 있다. 그러나 산화환원

반응이 수반되지 않기 때문에 높은 에너지밀도를

갖는 데는 한계가 있다. 둘째, 준커패시터의 경우

는 가역적인(reversible) 패러데익 반응을 일으킨

다. 이때 사용되는 전극재료로는 화학적으로 변형

시킨 탄소재료, 금속산화물, 전도성 폴리머 등이

있다[2]. 위의 경우 충방전 사이클의 안정성은 떨

어지지만 에너지 밀도는 EDLC에 비해 뛰어난 특

징을 지닌다. 이는 산화환원반응을 통하여 전하의

이동시간을 매우 길게 할 수 있기 때문이다[3]. 수

퍼커패시터의 특성 향상을 위해서 조절할 수 있는

인자들은 다음과 같다. 전해액, 분리층의 두께, 전

극의 기공크기, 부피, 저항, 기계적 안정도 등이다.

위와 같은 다양한 인자는 중요한 요소이지만,

현재 가장 큰 특성 향상을 야기시킬 수 있는 부분

중 하나는 탄소재료로 이루어져 있는 단위소자의

전극(양극, 음극)이다. 대표적인 탄소전극재료는

활성탄(Activated carbon), 탄소나노튜브(Carbon

Nanotube), 그래핀(Graphene) 등이 있다. 위 탄소

재료 중 그래핀은 대표적인 나노카본 재료로서 수

퍼커패시터의 응용에 있어서 높은 비표면적 및 뛰

어난 전기전도도를 지니고 있어 기존의 탄소기반

재료에 비해 적합한 재료로 알려져 있다. 그래핀

의 전극물질로서의 특징을 살펴보면 이론적으로

높은 비표면적(Specific surface area: 2,630 m2/g),

높은 열(Thermal) 및 전기전도도(Electrical con-

ductivity: 5,300 W/mK, 200 S/m)를 갖는다. 따라

서 전기이중층 커패시터의 경우(~21 uF/cm2)의 용

량을 얻을 수 있다[4,5]. 이는 넓은 비표면적으로

인해 이온들이 쉽고 많이 활성층에 흡탈착할 수

있기 때문이며, 전극의 저항이 작기 때문에 전하

를 이동시키는데 있어 보다 효과적이다. 특히, 그

래핀은 금속산화물(Metal oxide), 전도성고분자

(Conducting polymer), 탄소나노튜브(Carbon nano-

tube) 및 활성탄(Activated carbon)과 같은 다양한

전극물질과 복합체(Composite)를 형성시킬 수 있

어 하이브리드 탄소재료를 통해 보다 높은 에너지

저장능력을 보여줄 수 있는 우수한 물질이다[6-8].

이와 같은 그래핀을 제조하는 방법에는 흑연결정

으로부터 그래핀 한층을 분리하는 방법과 고온에

서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이

용하여 그래핀을 합성하는 화학기상증착법 및 고

온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄

소가 표면의 결을 따라 성장하는 에피성장법 등이

있다. 특히, 흑연을 산화시켜 용액 상에서 분리한

후 환원시키는 화학적 박리법은 대량생산의 가능

성과 화학적 개질이 용이하여 다른 소재와의 하이

브리드가 가능하다는 장점때문에 많은 연구가 진

행되고 있다. 흑연을 산화시키고 이온성 물질을



Figure 2. rGO 전극을 이용한 수퍼캐패시터의 CV 그래프[9,10].

층간에 삽입시켜 층간거리를 넓혀 산화 흑연을 제

조하는 기술은 이미 1974년부터 관심을 가져왔으

며 이는 주로 이차전지나 수퍼커패시터의 전극활

물질로 연구가 진행되어 왔다. 2006년 Ruoff 그룹

에서 산화흑연을 기본 재료로 그래핀을 대량 생산

할 수 있다고 제안하면서, 폭발적인 연구가 진행

되었으며 산화 흑연으로부터 분리된 낱장의 산화

그래핀에 대한 관심은 그래핀의 우수한 특성이 실

험적으로 밝혀지면서 최근 몇 년 사이에 집중되어

왔다. 따라서 본 특집에서는 화학적 박리그래핀을

이용한 에너지 저장소자의 응용에 중점을 두고자

한다. 화학적 박리를 통해 제조되는 산화그래핀

환원물(rGO: reduced graphene oxide)은 높은 비

표면적을 보유하는 동시에 rGO 층간의 거리를 조

절할 수 있어 효율적인 에너지 저장 재료로 장점

이 있다. 탄소계열의 물질들이 일반적으로 수퍼캐

패시터의 전극으로 주로 사용되는데, 이는 이들

물질이 고전도도 및 높은 비표면적을 갖기 때문이

다. 이러한 이유에서 rGO를 이용한 수퍼캐패시터

의 응용에 많은 관심을 보이고 있는데 이는 단일

층의 그래핀의 상대적인 비표면적이 여타 탄소계

열의 물질에 비해 높기 때문이다. 2008년에 Rao

그룹에 의해 rGO의 수퍼캐패시터 실험 결과가 보

고되었다. 산화그래핀을 열처리를 통해 환원하여

전극을 형성한 후 황산 전해질을 사용하여 측정한

결과, 축전용량이 117 F/g, 출력밀도가 32 kW/kg

이었다[9](Figure 2a). 비슷한 시기의 결과에 따르

면, 하이드라진을 통한 환원으로 얻어진 rGO로

전극을 형성하고 전해질로 ionic liquid를 사용하

면 75 F/g, KOH를 사용하면 102 F/g의 축전용량

을 측정한 결과를 보여준다[10](Figure 2b).

rGO는 높은 비표면적을 갖고 있으며 저가공정

이 가능하여 수퍼커패시터의 응용에 적합한 탄소

재료이지만 용량, 에너지밀도 및 C rate과 같은 전

기화학적 특성향상이 여전히 문제가 되고 있다.

이를 극복하기 위한 방법으로서 기 언급했었던 다

양한 재료와 하이브리드를 통해 특성 향상을 도모

하기 위한 노력이 진행되고 있다. Li 교수는 위와

같은 특성 향상을 위해서 rGO와 탄소공(carbon

spheres)을 하이브리드시켜 활물질로서 그래핀의

구조를 변화시켰다[11]. 이를 통하여 그래핀간 뭉

치는 현상을 방지하고 이온이 확산될 수 있는 공

간을 넓혀줌으로서 순수 그래핀 전극(115 F/g) 보

다 향상된 198 F/g의 비용량을 지닌 그래핀-탄소

공 하이브리드 전극을 제작하였다. 충방전 사이클

측정결과 위 재료는 1,000회 동안 95% 이상의 안

정성을 유지하는 결과를 얻어냈다. Liu 그룹에서

는 graphene nanosheets (GNS)와 carbon black

(CB)의 복합체를 제조하였다[6]. 그 결과 높은 비

용량(175 F/g)을 보였으며 6,000 사이클 동안 90%

이상의 안정성을 보였다. 또한 대표적인 하이브리

드 재료로서 CNT/graphene을 들 수 있다. 위와 같


38 공업화학 전망, 제16권 제3호, 2013

Figure 3. (a, b) CGS구조를 나타내는 SEM image 및 사이클에 따른 용량변화, (c, d) CB/그래핀 하이브리드를 통한 전극

형성 및 수퍼커패시터의 전기화학적 특성[12].

은 CGS (CNT/graphene sheets) 샌드위치 구조를

형성함으로서 385 F/g의 용량을 얻어냈다. 그러나

이때, 단지 물리적 혼합만을 유도한 것이 아니라

그래핀 위에 Co 촉매를 이용하여 화학기상증착법

에 의한 합성을 유도했으며 이때 형성되는 Co(OH)2

의 pseudocapacitance에 의해 용량이 상승함을 확

인하였다. 그와 유사한 결과로서 Feng은 그래핀

위에 CNT를 수직 성장시켜 전극을 제작하였으며

이때 높은 비용량(1,065 F/g)을 갖는 전극을 제작

하였다[12]. 그렇지만, 화학기상증착법에 의한 전

극제작은 여전히 제작공정에 있어 고비용을 요구

하고 있기 때문에 이를 극복하기 위한 연구가 진

행 중이다. 이와 같이 다양한 탄소재료와 그래핀

간 하이브리드를 통하여 얻을 수 있는 점은 비표

면적의 증가 전극 내 이온의 빠른 수송과 같은 전

도도의 향상 등이 있다.

그래핀과 금속산화물 하이브리드는 준커패시터

(psudocapacitors)의 구동을 나타낸다. MnO2, ZnO,

SnO2, TiO2, Co(OH)2, RuO2, NiO, Fe3O4 등과 같

은 금속산화물은 그 자체의 산화환원반응을 통해

서 커패시터의 용량을 향상시킬 수 있다. 그러나

금속산화물은 전기전도도의 한계를 지니고 있다.

이런 관점에서, 그래핀은 전기적 통로를 제공해

줄 수 있는 재료이며 하이브리드화시킴으로서 수

퍼커패시터의 성능을 향상시킬 수 있다[13]. 또한

금속산화물은 이차원구조를 갖고 겹쳐있는 그래

핀의 중간에 spacer를 형성시켜 비표면적을 넓힐

수 있는 매개체로 작용할 수 있으며 레독스반응을

형성시킬 수 있는 특징이 있다. 또한, 팽창된 그래

핀의 사이에 이온들이 쉽게 확산할 수 있는 채널

을 형성시켜줘서 전하수송을 보다 효과적으로 수

행할 수 있다. 망간산화물(MnO2)은 준커패시터



Figure 4. CV 특성을 보여주는 그래프. (a) CMG (chemically modified graphene)의 함량에 따른 차이, (b) CMG와 bulk MnO2

및 하이브리드의 차이, (c, d) CMG에 needle 형태의 MnO2가 하이브리드화되어 있는 모습을 나타내는 FE-SEM 이미지[14].

전극의 거동을 보여주는 유망한 물질이다. 이는

값이 싸고, 환경 친화적이며, 이론적으로 높은 용

량을 보이기 때문이다. 그러나 일반적으로 사용되

고 있는 MnO2 필름형 커패시터의 경우 150∼250

F/g의 비용량을 보이는데 이는 탄소재료, 바인더

와 같은 재료의 혼합 시 전기전도도가 매우 낮아

지는 단점이 있기 때문이다. 최근 rGO와 MnO2 복

합체를 형성한 경우보다 높은 비용량을 나타내는

결과가 보고되었다[14]. 이를 제조하기 위해서 두

물질을 마이크로파를 이용한 급속가열을 통하여

복합체를 형성시키고 측정한 결과 310 F/g의 비용

량을 나타냈으며 15,000 사이클 동안 유지시 95%

이상 그 특성이 변하지 않음을 확인하였다. 이를

통하여 그래핀과 금속산화물 하이브리드 시 전기

전도도와 산화환원반응을 통한 비용량의 향상 두

가지를 동시에 얻을 수 있는 수퍼커패시터를 제작

할 수 있는 기반을 마련했다고 볼 수 있다[15].

1.2. 그래핀 리튬이차전지(Graphene Lithium

Ion Battery)

현재 리튬전지의 음극재료로 사용되고 있는 물

질은 흑연으로 도입된 리튬대비 토출된 리튬의 비

를 나타내는 Coulombic efficiency가 높기 때문이

다. 하지만 흑연을 사용한 전지의 특성을 향상시

키기 위해서는 이러한 Coulombic efficiency 뿐만

아니라 상대적으로 낮은 이론용량을 증가시키고

리튬이온의 긴 확산거리를 해결해야만 한다. 그래

핀은 이러한 흑연의 단점을 극복할 소재로 각광받

고 있는데, 상대적으로 큰 비표면적에 따른 높은

가역용량뿐 아니라 그래핀의 넓은 가장자리 구조

로 인해 리튬 이온의 흡착 및 확산 속도가 빨라 결

과적으로 충전속도를 감소할 수 있고 output power

를 증가시킬 수 있기 때문이다. 세부적으로 살펴

보면, Figure 5에서 보는 바와 같이 리튬은 그래핀

의 가장자리를 통과하여 저장될 수는 있으나 완벽


40 공업화학 전망, 제16권 제3호, 2013

Table 1. 그래핀 및 그래핀 하이브리드를 통한 수퍼커패시터 전기화학적 특성[16]

Figure 5. 그래핀 공극 형성 메커니즘.

한 육각형 구조를 가지는 basal plane을 통해서는

저장될 수는 없다[17]. 하지만, 무질서하게 배열된

그래핀 층 사이의 공극이나 결함들에 저장될 수

있어 저장용량을 흑연의 이론용량인 372 mAhg-1

보다 확장할 수 있고 그래핀 시트들을 다층구조로

형성할 경우 그래핀 층간에 형성되는 나노크기의

기공을 통과하여 저장될 수도 있어서 높은 가역용

량이 가능한 물질이다[18].

Yoo 등은 흑연으로부터 그래핀 시트를 화학적

으로 박리시켜 개별 그래핀 시트를 합성하고 재배



Figure 6. 그래핀 나노시트로 구성된 그래핀 종이의 이미지 및 측면 SEM 이미지[20,21].

Figure 7. (a) 흑연, (b) rGO, (c) rGO + CNT, (d) rGO + C60을 이용한 리튬이차전지의 (A) 충방전 profile 및 (B) 충방전

cycle 특성[16].

열을 통해 그래핀 시트를 얻었다. 또한 재배열 과

정 중에 그래핀 시트 내에 탄소나노튜브 혹은 풀

러렌을 포함시킨 소재에 대한 저속 충방전 시험을

한 결과, 그래핀-풀러렌(C60) 음극재가 가장 우수

한 가역용량(780 mAhg−1

) 및 사이클 특성을 나타

내었으며, 이때 그래핀 층 사이에 포함되는 거대

분자에 의한 층간거리의 조정이 가역용량을 결정

짓는 가장 큰 요소가 된다고 보고하였다[19]. Li

등은 마찬가지로 흑연박리법을 통해 안정한 그래

핀 수용액을 제조하고, 이를 진공 여과하여 고강

도 고전기전도성을 갖는 그래핀 종이를 제조하였

으며(Figure 6), 플렉시블 에너지소자의 전극재료

로써 크게 활용될 수 있음을 밝혔다[20,21]. 그래

핀 종이를 음전극으로 사용하여 충방전 특성을 조

사한 결과, 가역용량이 84 mAhg-1으로 매우 낮아

리튬전지용으로 부적합한 것으로 판명되었으나,

800 ℃ 열처리를 통해 환원과정을 거치면 산소관

능기가 제거되어 10사이클까지 300 mAhg−1

의 적

당한 가역용량을 얻을 수 있다고 보고하였다[22].

또한, 2008년 Honma 그룹에서는 rGO, rGO +

CNT, rGO + C60을 이용하여 양극을 구성하고 리

튬이온전지를 제작하고 그 특성을 분석하였다. 비

축전용량이 rGO 양극의 경우 540 mAh/g으로서

흑연보다 우수한 특성을 보였고 rGO + CNT와

rGO + C60의 경우 각각 730과 784 mAh/g로 상당

히 뛰어난 값을 보고하였다. 이는 흑연에 비해 그

래핀 층간 거리인 d-spacing이 상대적으로 높기 때

문으로 설명하였다.

또한, 흑연 분말로부터 Hummers 법으로 산화흑

연을 제조하고 horn sonication을 통해 산화흑연을


42 공업화학 전망, 제16권 제3호, 2013

Figure 8. 투명한 질소 도핑된 그래핀 필름의 디지털 카메라 이미지(왼쪽)와 전기화학적 산소 환원 반응의 rotating disc volta-

mmogram[1].

박리시켜 개별 산화그래핀을 제조하였다. 이후

hydrazine hydrate 환원제로 산화그래핀을 환원시

키고 보다 강력한 환원을 위해 500℃ 열처리 과정

을 거쳐 환원된 산화그래핀 나노시트를 얻었다.

이 그래핀 나노시트는 마치 꽃잎 형상처럼 그래핀

의 가장자리가 구불구불한 모양을 가지고 있어 비

표면적이 상대적으로 크며 이로 인해 1 C-rate의

속도에서 가역용량 650 mAhg−1

을 나타내고 100

사이클 후에도 460 mAhg−1

을 유지하는 우수한

사이클 특성을 보였다[23]. 또한 Guo 등은 화학적

박리법을 통해 합성된 산화흑연을 1,050℃ 열처리

와 초음파 분산을 통해 그래핀 나노시트를 합성하

였는데 산처리 과정 및 박리 과정의 조건을 변화

시켜 9.1 nm 정도의 평균 크기를 갖는 그래핀을

합성하여 상대적으로 큰 비표면적의 그래핀으로

인해 초기가역용량 672 mAhg-1과 30 사이클 후에

도 502 mAhg-1의 용량을 얻는 등 우수한 특성을

나타내었다[24]. 그리고 Pan 등은 hydrazine 환원

제의 농도 및 시간, 열처리 온도 및 전자선 조사

유무 등 환원방법의 다양화를 통해 그래핀 나노시

트의 결정성 및 산화도를 조절하였는데, 결과적으

로 전자선을 조사하여 환원한 샘플이 가장 높은

가역용량인 1,054 mAhg-1을 나타내었다. 그러나

전자선 조사를 통한 환원공정은 전자선의 국부적

조사로 인해 대면적 조사를 위해서는 시간 및 단

가의 상승이 불가피한 단점이 있다. 300℃ 열처리

를 통한 환원방법으로 얻은 그래핀 나노시트도 전

자선 조사법보다는 약간 부족하지만 나름대로 우

수한 가역용량인 1,013 mAhg-1을 보였기 때문에

경제성 측면에서 전자선 조사법에 비해 더욱 효율

적임을 보고하였다[25]. 이러한 가역용량을 결정

짓는 중요한 요소는 산소관능기의 양을 나타내는

산화도, 그래핀 시트의 크기 및 구조적 모양을 대

변하는 비표면적, 그래핀 층상구조의 층간거리, 그

래핀 시트의 결정성을 나타내는 Raman ID/IG 등을

들 수 있다.

1.3. 그래핀 연료전지(Graphene Fuel Cell)

수퍼캐패시터나 이차전지 같은 에너지 저장분

야와 더불어 연료전지와 같은 에너지 생산 소자의

제작과 응용 기술에 그래핀을 적용하기 위한 연구

가 활발히 진행되고 있다. 지구 기후변화에 대처

하고 화석연료를 대체해 지속 가능한 청정에너지

원을 개발하기 위한 노력의 일환으로서 연료전지

에 대한 관심이 크게 증대되어 왔으며, 특히 그래

핀은 큰 비표면적, 향상된 효소 결합력(Enzymatic

binding ability), 높은 전기전도도, 폭넓은 적용이

가능한 전기촉매 활성도(electro-catalytic activity),

및 저가 생산 등의 다양한 장점들로 인해 주로 연

료전지의 촉매전극 소재로 크게 각광받고 있다.

연료전지의 촉매전극은 일반적으로 백금(Pt)이

가장 좋은 전기화학적 산소환원반응성을 갖는 것



으로 알려져 있으나, 비싼 가격과 표면의 일산화

탄소 비활성화에 의한 시간에 다른 유동(time-

dependent drift) 현상 등의 문제가 있다. 하지만

Figure 8에 나타난 바와 같이, 화학적증기증착법

(CVD)에 의해 질소 도핑된 그래핀은 비금속 전극

으로서 알칼리 용액 속에서 물을 생산하는 four-

electron 반응경로를 통해 기존 백금 전극에 비해

매우 높은 전기화학적 반응성, 장시간 구동 안정

성, 크로스오버(crossover) 효과에 대한 내성을 갖

는 것으로 확인되었다[26]. Ramaprabhu 연구팀의

경우, 질소 도핑된 그래핀 나노 시트(sheet)를 백

금 나노입자 구조체(support)로 사용하여 양성자

교환막 연료전지(PEMFCs)의 산소 환원반응에 대

한 촉매전극으로 이용하였으며, 이때 각각 440과

390 mW/cm2의 전력밀도를 질소 도핑되거나 처리

하지 않은 그래핀 나노시트-백금 전극 소자에 대

해 얻을 수 있었다[27]. 질소 도핑 공정을 통해 pyrro-

lic 질소 결함(defect)을 생성하고, 이는 백금 나노

입자 부착 시 고정부위(anchoring sites) 역할을 하

여 전기적 전도도를 증가시키고 탄소-촉매 간 결

합력을 향상시키기 때문으로 여겨진다. 연료전지

에 대한 기존 그래핀 적용기술과 다르게, Zhang

연구팀은 에틸렌글리콜 환원 방법을 통해 백금 나

노입자를 탄소나노튜브, 카본블랙 및 흑연입자 등

에 부착하여 저가의 서브마이크론 크기의 흑연

(graphite) 입자(GSP)를 고분자 전해질막 연료전

지의 전극 구조체로서 사용하였다. 탄소나노튜브

나 카본블랙에 비해 Pt/GSP 전극의 경우 산소 환

원반응에 대한 가장 높은 전기전해질 반응성과 2

∼3배 높은 내구성을 보이는 것으로 확인할 수 있

었다. 최근 산화그래핀에 분산된 백금 전극이 상

대적으로 높은 성능의 연료전지를 개발함에 있어

매우 유용하게 사용되고 있으며, 특히 수소연료전

지용 백금 나노입자 분산과 분포도를 결정하는 중

요한 구조체 전극소재로서 산화그래핀이 활용된

다. 부분적으로 환원된 산화그래핀과 백금 기반의

연료전지의 경우 최대 151 mW/cm2의 전력밀도를

보여 96 mW/cm2에 불과한 기존 Pt 전극 소자에

비해 향상된 성능을 보이는 것을 알 수 있다.

직접(direct) 메탄올 연료전지는 높은 전력밀도,

오염물 배출 저감, 용제 사용의 용이성과 낮은 구

동전압(60∼100℃) 등의 다양한 장점으로 인해 각

광을 받고 있으나, 메탄올 산화에 대한 낮은 전기-

촉매 반응성이 문제되어 왔다. 그래핀은 이러한

낮은 반응성을 향상시키기 위한 촉매전극 소재로

활용가능 하며, 기존 카본블랙/백금에 비해 그래

핀 나노시트/백금 촉매 전극이 메탄올 산화와 산

소환원 반응 모두에 대해 향상된 촉매 반응성을

보이는 것으로 나타난 바 있다[28]. 백금 전구체

(H2PtCl6)와 NaBH4를 이용한 산화그래핀 서스펜

션의 동시(synchronous) 환원을 통해 그래핀 나노

시트에 접착된 백금 나노입자(Pt/GNS)의 경우

Pt/C에 비해 높은 전류밀로를 보이며, 열처리 공정

을 통해 3.5배 가량 향상된 반응성과 안정성을 보

인다. 백금(Pt)-루테늄(Ru) 나노복합체/그래핀나노

시트(GNS)나 균일한 다공성의 GNS로 이루어진

연료전지용 그래핀 촉매전극 역시 Pt-Ru/Vulcan 등

의 기존 전극 소재에 비해 향상된 전기화학적 특

성과 촉매 반응성을 보인다[29]. 이러한 결과는 기

존의 흑연 기반 소자에 비해 그래핀 시트를 적용

한 촉매 전극이 과전위(overpotential)를 줄여주고

가역성(reversibility)을 증대시킴으로서 direct 메

탄올과 에탄올 연료전지 모두에서 효과적으로 적

용될 수 있음을 확인할 수 있다.

미생물(Microbial) 연료전지는 박테리아의 신진

대사에 의한 유기물 분해 과정을 통해 전기를 생

산하는 친환경 에너지원로 최근 큰 각광을 받고

있다. 급증하는 에너지 수요를 충당하기 위해 폐

기물을 활용하여 친환경 지속가능한 에너지를 얻

기 위한 노력의 일환이다. 그러나 다른 저온-동작

연료전지에서 흔히 나타나는 음극 산소환원반응

에 대한 느린 동역학(kinetics)에 따른 제한된 수준

의 연료전지 성능과 에너지 생산효율 문제가 있으

며, 이를 극복하기 위해 효율 높은 촉매전극 개발

이 필수적이다. 최근에 Wu 연구팀은 화학적 방법

으로 환원된 산화그래핀 시트(RGSs)가 미생물 연

료전지의 전극소재로서 큰 가능성을 갖고 있음을

확인하였으며[30], 특히 유리질의(glassy) 탄소 전


44 공업화학 전망, 제16권 제3호, 2013

Figure 9. 그래핀 기반 효소 바이오연료전지[31].

극과 RGS의 계량을 통해 연료전지의 과전위

(overpotential) 값을 낮추고 전류밀도를 증대시

킴으로서 산소환원반응에 대한 그래핀의 촉매 활

동성을 증가시킴 확인하였다. 효소를 이용한 바이

오 연료전지(Enzymatic biofuel cells)는 생체 내에

풍부하게 존재하는 그루코스(glucose)나 탄수화물

(carbohydrate) 등을 연료로 하며, 페이스메이커

(pacemaker)와 같은 생체 삽입형 의료기기 등에

폭넓게 적용 가능하여 큰 주목을 받고 있다. 하지

만, 여전히 낮은 전력밀도(power density)와 안정

성 등의 문제로 인해 개발이 더딘 상황이며, 특히

무기물기반 연료전지에 비해 낮은 전력밀도는 효

소의 활성부위(active site)의 위치가 단백질 껍질

로부터 깊이 묻혀있어 전기화학적 반응을 위한 원

활한 전자이동이 방해받기 때문이다. 이러한 문제

를 그래핀이나 탄소나노튜브와 같은 나노카본 소

재를 활용해 효소로의 전자이동을 향상시키거나

효소와의 공유결합과 연관된 여러 시도들이 행해

지고 있다[31]. 그래핀의 경우 넓은 표면적으로 인

해 카르복실(carboxylic), 케톤(ketonic), 퀴논(qui-

nonic)과 C=C 공액 구조 등 다양한 표면 기능기를

갖도록 합성할 수 있으며, 이중 카르복실과 케톤

등은 반응성이 강하여 그루코스 옥시다아제

(glucose oxidase) (ROx)와 쉽게 공유결합을 형성

할 수 있다. 또한 C=C 공액 구조는 전자를 전달하

는 통로로 활용 가능하여 효소와의 전자이동을 원

활히 할 수 있을 것으로 기대된다. Figure 9와 같

이, Liu 연구팀은 효소 바이오연료전지의 음극과

양극에 그래핀을 적용하여 높은 성능의 바이오 연

료전지를 구현하였다. 양극에 금 전극 위 실리카

졸-겔(sol- gel) 매트릭스를 이용해 그래핀과 GOx

를 동시에 고정시켰으며, 음극에는 같은 방법으로

빌리루빈 옥시다아제(bilirubin oxidase) (BOD)를

적용하여 제작하였다[31]. 이러한 그래핀 기반의

바이오 연료전지는 24.3 µW (at 0.38 V, load 15

kΩ)의 최대 전력밀도를 보여주며, 이는 탄소나노

튜브 기반 바이오 연료전지(7.8 µW at 0.25 V)에

비해 높은 수치인데, 이는 탄소나노튜브에 비해

넓은 표면적, 전자 전달에 용이한 많은 수의 C=C

공액구조, 그리고 그래핀 표면에 존재하는 많은

기능기나 전위(dislocation) 등에 의해 나타나는

현상으로 파악된다.

2. 결 론

그래핀의 에너지 저장소자 및 절감소자로의 응

용은 비단 물질 자체의 뛰어난 물리적, 화학적 특

성 때문만은 아니다. 금속, 반도체, 심지어 부도체



와도 간단 표면 에너지 조절을 통해 하이브리드화

가 가능하고 저가 공정이 가능하기 때문이다. 이

러한 이유에서 앞으로의 그래핀에 대한 에너지 저

장소자로의 응용은 주로 하이브리드를 통한 저장

특성 향상 및 대면적, 저가격화에 집중될 예정이

다. 본 리뷰를 통해 그래핀 에너지 저장소자 연구

에 많은 연구자들이 영감을 얻어 뛰어난 연구결과

를 창출하길 바란다.

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46 공업화학 전망, 제16권 제3호, 2013

정 승 열

2001 전북대학교 재료공학 학사

2003 성균관대학교 물리학과 석사

2006 성균관대학교 물리학과 박사

2007 성균관대학교 기초과학연구

소 박사후 연구원

2008 미-럿거스대학교(Rutgers Univ.)

재료공학과 박사후 연구원

2009∼현재 한국전기연구원 나노카본

소재연구그룹 선임연구원

정 희 진

2001 전북대학교 물리학 학사

2003 성균관대학교 물성물리학 석사

2006 성균관대학교 물성물리학 박사

2006∼2008 프랑스 에꼴폴리테크닉

박사후 연구원


소재연구그룹 선임연구원

백 강 준

2005 고려대학교 재료공학부 학사

2006 광주과학기술원 신소재공학과

석사

2010 광주과학기술원 신소재공학과

박사

2010∼2011 한국전자통신연구원 융합부품

소재연구부문 연구원

2012 Northwestern University

화학과 박사후 연구원

2013∼현재 한국전기연구원 나노카본소재

연구그룹 선임연구원

한 중 탁

2000 단국대학교 고분자공학과

학사

2002 포항공과대학교 화학공학과

석사


박사


박사후 연구원

2006 미표준연구소(NIST) Guest

researcher


소재연구그룹 책임연구원

이 건 웅

1992 전남대학교 고분자공학과

학사

1994 서울대학교 화학공학과 석사

1999 서울대학교 화학공학과 박사

2000∼2003 한국과학기술연구원(KIST)

연구원

2003∼2005 Research Scientist, Georgia

Institute of Technology

2005∼현재 한국전기연구원 나노융합

기술연구센터 센터장

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기획특집: 그래핀 응용기술 - cheric.org · 있다[2]. 위의 경우 충방전 사이클의 안정성은 떨 어지지만 에너지 밀도는 edlc에 비해 뛰어난 특