Carbon based materials such as activated carbon, carbon nanotues, and graphene, have been widely researched for producing energy storage device such as supercapacitors and batteries because of unique properties of these materials such as high surface area, good electrical conductivity, compatibility with other materials, controlled pore size distribution.
Previous our group’s work [7] have been reported that with atomically thin and flat layers of graphene, new in- plane structure designs for thin film energy storage devices have been success with good performance. The proposed design is easy to use the surface of each graphene layers for energy storage. In this base, two-dimensional graphene based micro-supercapacitors with multi-layer graphene oxide films have been proposed. [6]
In this study, metal oxide nanoparticles such as $SnO_2$ and $Mn_3O_4$ are synthesized on graphene oxide surfaces by simple solution based synthesis so the composites could be made by films. The microstructure characteristics of the composite films are mainly examined by Field-emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) and Field-emission Transmission Electron Microscope (FE-TEM). By using of the composite films with the in-plane structures, the two-dimensional graphene based micro-supercapacitors have been successfully fabricated. The electrochemical properties of the devices are examined by cyclic voltammetry, galvanostatic charge/discharge curve, and electrochemical impedance spectroscopy. The high electrical conductivity of graphene and the redox reaction of the metal oxide nanoparticles can be expected to improve the device performances. The specific capacitace per area of $3.4mF/cm^2$, $4.4mF/cm^2$, and $6.5mF/cm^2$ obtained from the GO, $SnO_2-GO$, and $Mn_3O_4-GO$ films in 1M $Na_2SO_4$ electrolyte, respectively. Although the increase of the specific capacitance per area, volume and mass of the composite films also increased so the specific capacitance per mass and volume could not show increasing. In this point, experiments controlling the mass and volume of the composite films could be needed.
With tens of micro-meter thickness, the device showed high efficient performance. It indicated that the two-dimensional graphene based micro-supercapacitors could be promising candidates as micro-energy storage devices and biomedical implants.
수퍼커패시터나 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 사용되는 전극 물질로 활성탄소나 탄소나노튜브, 그라핀과 같은 탄소 계열의 물질에 대한 연구가 많이 진행 되어왔다. 그 이유로는 이들 물질만의 독특한 특성 때문인데, 넓은 비표면적, 좋은 전기전도도, 다른 물질과의 호환성, 기공 크기 분포의 조절 가능성 때문이다.
이전 우리 연구실에서 새로운 in-plane 구조의 박막 에너지 저장매체로, 원자크기의 매우 얇은 그라핀을 이용한 연구가 좋은 특성의 결과를 보여주었다. 그때 제안된 구조는 그라핀 전 면적을 에너지 저장으로 사용할 수 있게 하는 구조였다. 이러한 연구 결과를 토대로 Multi-layer Gra-phene oxide(GO) 박막을 2차원 구조의 박막수퍼커패시터의 개발을 성공하였다.
본 연구에서는 $SnO_2$나 $Mn_3O_4$와 같은 금속 산화물 나노 입자를 GO표면에 쉬운 solution 기반의 합성 방법을 통해서 박막 형태의 복합체를 만드는 것을 목적으로 한다. 합성한 복합체의 미세구조적 특성을 Field-emission SEM와 TEM을 통해 분석하였고 확인하였다. 앞서 말한 in-plain 구조의 박막수퍼커패시터에 본 연구에서 합성한 복합체 박막을 적용하여 커패시터를 성공적으로 제조하였다. 제조된 박막커패시터의 전기화학 특성은 cyclic voltammetry, galvanostatic charge/discharge curve와 electrochemical impedance spectroscopy로 확인하였다. 그라핀의 높은 전기전도도와 금속산화물의 산화 환원 반응을 통해 제조된 박막커패시터의 특성의 향상을 기대하였다. 제조된 GO, $SnO_2-GO$, $Mn_3O_4-GO$ 박막을 이용하여 1M의 $Na_2SO_4$ 전해질에서 단위면적당 비 정전용량은 각각 $3.4mF/cm^2$, $4.4mF/cm^2$, $6.5mF/cm^2$ 이었다. 단위면적당 비 정전용량의 값은 증가하였지만, 복합체 박막의 경우 부피와 무게가 증가하였기에 부피당??무게당 비 정전용량의 값은 증가하지 않았다. 이 점으로 보아, 복합체 박막의 부피와 무게 조절을 위한 추가적인 실험이 필요할 것으로 보인다.
수 micro 두께의 박막을 이용하여 제조한 박막커패시터는 좋은 성능향상을 보였다. 이와 같은 2차원 구조를 가지는 그라핀 기반의 박막수퍼커패시터는 micro-scale의 에너지 저장장치나 bio-MEMS같은 작은 크기의 안정성이 요구되는 응용 분야에 적용가능 할 것으로 본다.
