[로이슈 전여송 기자] 한국연구재단은 임진형 국립공주대학교 교수 연구팀이 다공성 탄소의 나노기공 내부에 전도성 고분자를 분산시키는 유동층 반응기 기반 동적 증기상 중합(D-VPP) 공정을 개발했다고 4일 밝혔다.

이번 공정은 기체 흐름과 기계적 진동으로 분말 입자를 움직이면서 단량체 증기를 공급해 전도성 고분자를 형성하는 방식이다. 연구팀은 증기와 분말의 반복적인 접촉을 통해 전도성 고분자가 특정 부위에 집중되거나 기공이 막히는 현상을 줄이는 데 초점을 맞췄다.

규칙적인 나노기공을 가진 다공성 탄소(OMC)에 전도성 고분자를 결합하면 전도성과 전하저장 능력을 높일 수 있지만, 고분자가 입자 표면이나 기공 입구에 집중되면 전해질 이온의 이동 통로가 좁아져 빠른 충·방전 시 성능이 저하될 수 있다.

연구팀은 3개의 병렬 반응라인과 맞춤형 유동층 반응기로 장치를 구성했다. 질소를 이용해 피롤 단량체 증기를 분말층 아래에서 공급하고 기계적 진동을 가해 입자 응집과 국소적인 기체 통로 형성을 완화하도록 설계했다.

공정 성능을 비교하기 위해 하나의 산화제 담지 탄소 배치를 동일하게 나눈 뒤 D-VPP와 기존 정적 증기상 중합(VPP)의 반응 온도와 시간을 동일하게 유지했다. 전자현미경과 기체흡착, 열분석, X선 분석 결과 D-VPP 시료에서 전도성 고분자가 상대적으로 고르게 분산됐으며 나노기공 접근성도 정적 공정 시료보다 유지된 것으로 나타났다.

연구팀에 따르면 충·방전 속도를 높인 조건에서 D-VPP 전극은 초기 정전용량의 92.3%를 유지했으며 정적 공정 전극은 37.0%를 기록했다. D-VPP 전극의 전하이동저항은 정적 공정 대비 약 93.1% 감소했다.

슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서 이온을 흡착하거나 산화·환원 반응을 통해 전기에너지를 저장하는 장치로, 충·방전 속도가 빠른 특성을 갖는다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원사업으로 수행됐으며 연구 결과는 국제학술지 ‘캐미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 지난달 27일 온라인 게재됐다.

제1저자로 참여한 조영휘 국립공주대학교 박사과정생은 “후속연구를 통해 대량 처리를 위한 연속식 분말 투입·회수와 함께 증기 농도·온도·체류시간을 정밀하게 제어하는 기술을 확보하고, 향후 다양한 다공성 소재와 에너지저장 소자에 적용할 계획”이라고 설명했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr