본 논문은 CO₂ 레이저를 이용한 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자와 Laser Induced Graphene(LIG)이 결합된 복합 전극의 제작 공정과 그 결과를 서술하고, 이 복합 전극을 나트륨 이온을 저장하기 위한 슈퍼커패시터의 전극에 적용해서 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자와 LIG의 복합 전극이 슈퍼커패시터에서 나트륨 이온의 저장 용량에 끼치는 영향에 대하여 서술하였다. Lithium Ion Capacitor(LIC)는 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 제공하는 장점이 있지만 제한된 리튬 자원으로 인해 대규모 에너지 분야에 사용하기에 한계가 예상된다. 한편, 나트륨은 지구상에 풍부하여 저렴한 자원이기 때문에 Sodium Ion Capacitor(SIC)는 LIC의 유망한 대안으로 연구되고 있다. SIC의 전극에 전압이 인가되면 나트륨 이온이 전기장에 의해 전해질을 타고 이동하여 전극에 저장된다. 그런데, 나트륨 이온이 리튬 이온보다 큰 이온 반경을 가지고 있어서 커패시터 전극에 나트륨 이온이 삽입되면 전극의 부피가 변하여 구조가 변형되고 용량과 retention 성능이 저하되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 나트륨 이온에 대해 높은 용량을 가지는 전극 물질을 사용해야 한다.
SIC 전극을 제작하기 위해 높은 용량과 높은 전기 전도성을 가지며 저비용, 풍부한 자원, 환경 친화성의 장점이 있는 전이 금속 산화물 Fe₂O₃/Fe₃O₄를 선정하였으며, Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자를 고정시키기 위해 쉽게 다충의 그래핀 전극 제작이 가능하며 넓은 표면적과 우수한 전기 전도성을 보이는 우수한 레이저 유도 그래핀(LIG)을 사용하여 복합전극의 제작 공정 및 이를 전극으로 사용하여 SCI의 성능 개선 실험을 진행하였다. Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자 유무에 따른 나트륨 이온 저장 용량의 증가를 확인하기 위해 LIG 전극과 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자를 사용한 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극을 이용한 SIC를 제작하였고 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자의 유무에 따른 SIC 성능을 비교 분석하였다. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극 제작 공정은 두께 250 μm 폴리이미드 필름에 CO₂레이저를 사용하여 21 W, 884 mm s-1의 속도로 조사하여 LIG 전극을 제작함으로 시작하였다. 제작된 LIG에 3분동안 O₂ 35 sccm의 조건으로 산소 플라즈마 처리를 진행하여 전극의 습윤성을 개선한 후 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자를 형성하기 위한 Iron oxide chloride solution 40 μL를 O₂ 플라즈마 처리한 LIG위에 드롭 캐스팅하였다. 이후 공기 중에서 12시간 동안 건조 후 Rotary vacuum chamber에서 6시간 건조하였다. 건조된 전극에 동일한 면적으로 CO₂ 레이저를 조사하여 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG를 제작했다. 위 공정으로 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG전극을 성공적으로 제작하였다.
Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극의 형태와 성분을 조사하기 위해 SEM, EDS, XPS, XRD, TEM 분석을 진행하였다. SEM 분석에서 긴 가닥의 LIG 섬유에 고정된 산화철 나노 입자의 존재를 확인할 수 있었으며, Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG전극 표면에서 넓은 표면적을 제공하는 많은 기공을 확인했다. EDS 분석에서 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극 내에 탄소, 산소, 철, 염소가 분포하고 있음을 확인했다. XPS O 1s 스펙트럼 분석에서 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극의 LIG와 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자가 결합되어 있음을 나타내는 Fe-O-C 결합 피크를 확인하였다. Fe 2p 스펙트럼에서 Fe 2p1/2 와 Fe 2p3/2에서 나타난 Fe2+(oh), Fe3+(td), Fe3+(oh) 피크의 존재를 통해 Fe₂O₃/Fe₃O₄의 공존을 확인했다. XRD 분석에서 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극은 LIG에 해당하는 피크, Fe₂O₃에 해당하는 피크, Fe₃O₄에 해당하는 피크가 존재하여 Fe₂O₃와 Fe₃O₄가 동시에 존재하고 있음을 확인하였다. TEM 분석에서 (206) 평면 구조의 Fe₂O₃, (311) 평면 구조의 Fe₃O₄ 나노입자를 확인하였다.
이후 3전극 측정법을 사용하여 Na₂SO₄ 전해질 속에서 복합 전극의 전류-전압 특성, 충방전 특성, retention 특성을 분석했다. 커패시터의 areal capacitance를 측정하는 방법은 특정 전압 영역에 일정 스캔 속도의 전압을 인가하는 순환전압주사법, 일정 전류 밀도를 인가하는 정전류 시험법이 존재한다. 순환전압주사법과 정전류 시험법 모두 areal capacitance를 구할 수 있기 때문에 순환전압주사법을 이용해 areal capacitance를 구하고, 정전류시험법을 이용해 areal capacitance를 구했다. Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극은 50 mV s-1의 스캔 속도에서 18 mF cm-2의 areal capacitance를, 그리고 전류밀도 0.5 mA cm-2에서 5.8 mF cm-2의 areal capacitance를 보였으며, 이는 순수 LIG 전극의 scan rate 50 mV s-1에서 areal capacitance 5.1 mF cm-2, 전류밀도 0.5 mA cm-2에서 areal capacitance 2.3 mF cm-2보다 높았다. 1200 사이클 동안 측정한 retention 특성에서도 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극은 87 %의 용량 유지를 보였으며 순수 LIG 전극은 67%의 용량 유지에 그쳤다. 타 연구결과와 비교해 Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극의 areal capacitance 18 mF cm-2는 타 논문의 NiO/CO₃O₄/LIG 전극의 areal capacitance 2.4 mF cm-2보다 7배 이상 높았다.
Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극이 순수 LIG 전극 보다 우수한 areal capacitance, retention 특성을 보였기 때문에 Fe₂O₃/Fe₃O₄ 나노 입자가 슈퍼커패시터의 sodium ion 저장 용량과 retention 특성을 향상시키기 위한 적합한 재료이며, Fe₂O₃/Fe₃O₄/LIG 복합 전극이 나트륨 이온 저장 시스템과 같은 에너지 분야에 적용 가능할 것이라 판단된다.