나노복합체, 그의 제조 방법 및 상기를 포함하는 커패시터 document_id A220623034414

최근 휴대용 전자 통신 기기 및 하이브리드 자동차 등의 급속한 개발에 따라서 높은 에너지 밀도 및 고출력 에너지원에 대한 요구가 증가하고 있다. 이와 같은 요구에 따라서 기존의 이차전지를 대체 또는 보완할 수 있는 에너지원으로서 전기화학 커패시터(electrochemical capacitor)가 주목받고 있다. 전기화학 커패시터는 기존 이차전지에 비하여 에너지 밀도는 떨어지지만, 월등히 높은 출력 밀도를 보유하여 고출력의 에너지를 공급할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 상기 전기화학 커패시터는 충/방전 시간 및 수명(cycle life)에 있어서도 이차전지에 비하여 우수한 성능을 나타낸다. 이러한 특징으로 인해, 전기화학 커패시터는 휴대용 통신기기의 펄스원(pulse power source), CMOS 메모리 백업용 에너지원 및 전기자동차의 부하조절장치 등으로 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 전기화학 커패시터와 기존 이차전지를 조합하여 하이브리드 에너지원을 구성할 경우에, 이차전지의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있다는 연구 결과도 보고된 바 있다. 전기화학 커패시터는 크게 전기이중층 커패시터(EDLC, Electrochemical Double Layer Capacitor) 및 의사 커패시터(pseudo capacitor 또는 supercapacitor)로 구분될 수 있다. 상기 중 EDLC는 비표면적이 큰 전극활물질을 사용할 경우 높은 축전용량을 구현할 수 있다는 이점을 가진다. 그러나, EDLC는 전극활물질인 활성탄의 미세기공과 전해질의 불완전한 웨팅(wetting)으로 인한 낮은 실축적용량 및 탄소계 자체의 높은 내부 저항으로 인해, 그 용도가 저전류용으로 제한되고 있다. 의사 커패시터는 전극/전해질 계면에서의 이차적 산화/환원 반응을 이용하는 것으로 상기 EDLC에 비해 약 10 내지 100배의 축전용량을 나타낸다. 이러한 의사 커패시터의 전극 소재로는 RuO2, IrO2, NiOx, CoOx 및 MnO2와 같은 금속산화물계 소재 및 전도성 고분자 등이 이용되고 있다. 상기 중 RuO2는 월등한 에너지 및 출력 밀도를 가지고 있으나, 매우 고가의 소재이기 때문에, 우주 항공 또는 군사적 용도로만 사용이 제한되고 있다. 또한, 상기 RuO2 외에 기타의 소재들은 축전 용량이 열악하여 많은 개선의 여지를 가지고 있다. 이에 따라, 저가이면서 고용량의 금속산화물 전극의 제조가 요구되고 있으며, 최근 큰 비표면적 및 이론용량을 갖는 니켈 산화물이 차세대 전지 및 커패시터용 전극 소재로서 주목받고 있다. 한편, 종래의 의사 커패시터의 전극활물질은 주로 마이크로 수준의 분말상으로 제조되어 사용되고 있었다. 그런데, 금속산화물의 경우 전기가 축적, 발현되는 반응은 대부분 수 나노미터 두께의 표면층에서 이루어진다. 따라서, 마이크로 수준의 분말상으로 제조되는 경우 입자 내부는 전기화학적 발현이 곤란하여 용량에 기여하지 못하는 문제점이 있다. 이에 금속산화물의 전기화학적 활용도를 극대화하기 위하여 나노 수준의 금속산화물 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같이, 금속산화물계 전극 소재에는 높은 전기전도도, 다공성 및 나노화가 요구된다. 이에 따라 최근 전기전도도가 높으면서, 연속적인 전도성 경로를 제공할 수 있고, 3차원적인 다공성 구조를 가지도록 하여, 전해질의 함침 및 전극활물질과의 계면을 최대화할 수 있는 소재로서, 금속산화물과 탄소소재의 복합소재를 개발하려는 노력이 진행되고 있다. 탄소나노튜브와 같은 탄소소재 상에 활물질로서 니켈산화물과 같은 금속산화물을 나노미터 수준으로 코팅하는 방법으로서, 현재까지 알려진 대표적인 방법은 전기화학적 방법 및 화학적 방법이 있다. 전기화학적 방법은 백금이 코팅된 실리콘 웨이퍼 상에 ESD법을 이용해 탄소나노튜브 박막을 성장시켜 기판을 제조하고, 상기 기판을 질산니켈 수용액에 침지시켜 정전류식 펄스 증착(galvanostatic pulse deposition)을 통해 수산화니켈을 코팅하는 방법이다 (Journel of the electrochemical society, 152, 11A2123, 2005). 상기 방법은 비교적 균일한 코팅이 가능하고, 전기 에너지의 조절을 통하여 코팅층 두께를 조절할 수 있으나, 분말상이 아닌 박막형태의 활물질을 제조하는 것으로 대량 생산이 곤란하다는 문제점이 있다. 또한, 화학적 방법은 질산니켈 수용액에 탄소나노튜브를 분산시킨 후, 수산화칼륨 또는 수산화암모늄 수용액을 첨가함으로써 수산화니켈을 석출시키려는 방법이다 (J. Electrochem. Soc., 153, A743, 2006; Synthetic Metals, 150, 153, 2005). 그러나, 상기 방법은 수산화니켈의 균일 핵생성 및 성장 반응에 탄소나노튜브가 단순히 첨가되어 수행되는 것이다. 따라서, 상기 방법에서는 수산화니켈의 균일한 코팅이 곤란하고, 일차원 형상의 탄소나노튜브의 가닥들 사이에 균일핵생성에 의해 수산화니켈이 응집되어 석출되거나, 과량의 수산화니켈 입자들 내부에 탄소나노튜브가 박혀 있는 형상을 나타내게 된다는 문제점이 있다.