질소 도핑된 탄소나노튜브 / 금속 산화물 복합 어레이와 슈퍼캐패시터로의 응용에 관한 연구

Abstract

탄소나노튜브는 전계 방출(electron field emisson), 나노트랜지스터, 가스 센서 등 여러 분야에 응용되는 각광받는 탄소 물질이다. 탄소나노튜브는 슈퍼캐패시터와 같은 에너지 저장장치의 전극 물질로도 개발되고 있는데, 1차원적 구조를 가지고 있어 비표면적이 넓으며, 기존에 쓰이던 활성탄에 비해 전도도가 높고 튜브 사이의 공간까지 활용할 수 있다는 강점을 지니고 있다. 최근에는 슈퍼캐패시터의 전극 물질로서 기능성을 높히기 위해 탄소 물질 자체 개발뿐 아니라 전도성 고분자나 금속 산화물과 같은 유사 용량을 지닌 물질과 복합시켜 효율을 높이는 연구가 많이 진행되고 있다. 이 연구에서는 환원된 그래핀 필름 위에 패터닝된 질소 도핑 탄소나노튜브 어레이를 성장시킨 기본 3-D 구조에 금속 산화물 나노 입자를 붙여 복합체를 만들었다. 질소 도핑된 탄소나노튜브는 전기 전도도가 높을 뿐 아니라 치환된 질소 자리가 금속 산화물이 쉽게 생성되어 붙을 수 있는 반응성 높은 자리로 작용한다. 질소 도핑/금속 산화물(NCNT/$MO_x$) 어레이는 FTO 기판 위에 옮겨져 슈퍼캐패시터의 working electrode로 적용된다. 금속 산화물로는 유사용량을 이용하기 위해 망간산화물($MnO_x$)과 루테늄산화물($RuO_x$)을 선택하였다. 질소 도핑 탄소나노튜브의 표면에 붙은 금속 산화물 나노입자는 SEM과 TEM으로 관찰되었고 XPS를 통해 분석되었다. 실온 상에서 electrochemical analyzer에 연결된 3 전극 구조 cell에서 순환전압전류법(Cyclic voltammetry measurements)을 통해 슈퍼캐패시터 거동을 분석하였다. 1M $H_{2}SO_{4}$ 수용액을 전해질로 하여 측정한 결과, NCNT 어레이와 NCNT/$MnO_x$ 복합 어레이, NCNT/$RuO_x$ 복합 어레이의 전기용량값은 5mV/s의 scan rate에서 각각 59F/g, 69F/g, 113F/g로 계산되었다.