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 개발 뿐 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.