본 기술은 금속형과 분리된 99% 초과 순도의 반도체형 단일벽 탄소나노튜브(s-SWCNT)를 큐빅형 인듐 산화물(In2O3)과 열수 합성법으로 접합한 헤테로구조 소재입니다. 탄소나노튜브가 산화물 내부와 표면에 분포하며 격자를 수축시켜 슈퍼커패시터 전극 활물질로서의 특성을 끌어올립니다.
In2O3는 넓은 밴드갭과 높은 투명성을 지닌 유망한 금속 산화물 반도체이지만, 단독으로는 높은 전력 밀도를 얻기 어렵고 장기 사이클 신뢰성이 떨어지는 한계가 있었습니다. 또한 종래에는 금속형과 반도체형이 섞인 미정제 탄소나노튜브를 첨가해 왔기 때문에 성능 향상이 어느 성분에서 비롯되는지 불분명하여 소재 설계를 최적화하기 어려웠습니다.
본 기술은 순수 s-SWCNT만을 원-스텝 열수 공정으로 In2O3 합성 과정에 in situ 도입하여 간단하고 확장 가능한 방식으로 이종접합 전극 재료를 얻습니다. 제작된 고체상 대칭형 슈퍼커패시터는 1.8 A/g에서 898 F/g의 비정전용량, 최대 3900 W/kg의 전력 밀도, 5000 사이클 후 91.8%의 용량 유지율을 보였습니다. 웨어러블 기기, 플렉서블 IoT 보안 시스템, 전기차 보조 전원 등 고출력 에너지 저장 장치에 적용될 수 있어 빠른 충방전과 긴 수명을 동시에 요구하는 전원 부품 개발에 유리합니다.
본 발명은 교육과학기술부의 저차원 전이금속 칼로겐-정렬 CNT 기반 나노구조 이종접합 및 웨이퍼스케일 스마트 센서 응용 지원을 통해 개발되었습니다.
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