Applied Che때stry ，

Vol. 13, No. 1, April 2009, 61 -64

전기 방사에 의 한 Polyacrylonitrile/Polyvinylpyrrolidone 탄소나노섬유의 전기화학적인 특성

말쇠활 · 주동혁 · 이완진

전남대학교 공과대학 신화학소재 공학과

전남대학교 BK21 기능성 나노 신화학소재 사업단

전남대학교 Alan Mcdiarmid 에너지 연구소 (μ‘w써y씨셰’jle야e@c이honnam.πI.ac.kr)

Electrochemical performance of electrospun P AN/PVP carbon nanofiber

Seok-Hwan ParL Dong-Hyuk Ju, Wan Jin Lee'

Faculty of Applied Chemical Engineering, Chonnam National University Center for Functional Nano Fine Chemicals, Chonnam National University

Alan MacDiarmid Energy Research Institute, Chonnam National University

300 Yongbong-dong, Buk-gu, Gwangju 500-757, Korea

(wj lee@chonnam.ac.kr)

Abstract

Activated carbon nanofibers was prepared by three-step thermal process

as-prepared nanofiber obtained by electrospinning the mixed polymer solution .

consisted of PAN and PVP in DMF. The ratios of PAN to PVP was 8 :2. 7 :3 . and

6:4 , and three-step thermal treatment was stabilization , carbonation. and activation

When PVP content increased to 30 wt%. the diameter of carbon nanofibers gradualiy

decreased. For 40 wt% PVP. their diameter rather increased by forming beads to

electrospun nanofibers caused by the effect of the decreased viscosity. With PVP

content increasing to 30 wt% . the profile of CV showed more expanded

rectangle-like shape, the area of rectangle decreased a little. The reason for the

best electrochemical performance for 30 wt% PVP-added carbon nanofibers is that

ion mobility get to be facilitated by increasing surface area with more mesoporosity.

1. 서 론

전기이중충 캐패시터 (Electric Double Layer Capacitor, EDLC) 는 2차전지와 비교하여 충전

속도가 빠르고， 충방천사이클이 반영구적이며， 충방전시 높은 동력밀도를 가지는 천기에너지 축전

장치이다. 그리고 환경친화적이고， 폭발위험성이 없으면서 사용가능한 온도， 전압범위가 상대적으

로 넓으며 유지보수가 불필요하다는 장점올 가지고 있다. [1 ,21 전극파 전해질이 접한 계면에서는 서로 짧은 거리이기 때문에 서로 반대 극성의 전하가 배열하

게되면서 어떤 충올 형성하게 되는데 이것을 천기이중충이라고 한다. 전기이중충은 전극표연과 용

매 이옹사이에 전자의 이똥이 없는 non - faradaic 반웅에 의해 형성된다. 전기 이중층의 형성에

의하여 전극 계면에서 생기는 정전 용량을 전기이중층 정전용량 (elec tric double layer

capacitance) 이라 하며， 이것올 이용한 capacitor가 전기 이중층 capacitor

62 박석환·주동혁·이완진

파 활성 탄소섬 유 (activated carbonnanofiber) ，그리 고 탄소나노튜브 (carbonnanotube) 를 사용하

고， 수용액계와 유기계 전해액을 전해질로 사용한다. 본 연구에서는 비표면적이 넓은 EDLC전극을

제조하기 위하여 Polyacrylonitrile과 Polyvinylpyrrolidone를 혼합방사하였고， 안정화， 탄소화， 활

성화를 통하여 비표면적이 넓은 탄소나노섬유를 얻을 수 있었다.

2. 실 험 2.1 PAN/PVP 나노섬유의 채조

Polyacrylonitrile (PAN , Aldrich Co.) 용액 과 Polyvinylpyrrolidone (PVP , Alfa Ae s ar) 용액 의

농도는 10 wt%로 고정하였고， 용매로는 DMF를 사용하였다. 용질과 용매를 무게비로 섞은 후

60 'c로 열을 가하면서 각각 10wt%의 PAN용액파 PVP용액올 제조하였다. Blend 용액은 PAN

용액과 PVP용액올 각각 80:20 , 70:30 , 60 : 40의 무게비로 혼합하여 24hr이상 교반을 하여 제조

하였고， 각각 PVP함량에 따라 20PVP , 30PVP, 40PVP로 명명하였다. 이렇게 제조된 용액들올

전기방사장치 (NT-PS-35K, NTSEE Co. , Korea)를 이용해 방사하여 나노섬유로 제조하였다.

전기방사에 사용된 전압은 20kV이고， 양전하가 걸린 주사바늘과 옴천하가 걸린 접속장치와의 거

리 (tip-to-co l!ector distance , TCD) 는 18cm였다. 방사용액올 담은 주사기는 유리로 제조된

30ml 주사기를 사용하였으며 주사바늘의 직경은 0 . 5ml였다. 용액 공급 속도는 시간당 1ml로 조

절하였고， 집속장치의 회전속도는 300rpm이었다.

2.2 산화 안정화， 탄소화 및 활성화 천기방사를 통해 제조된 blending 나노섬유 웹올 산화 안정화， 탄소화， 활성화의 공정으로 카본나

노파이버로 만들었다. 산화 안정화는 대기중에서 이루어졌으며， 상옹에서부터 280 'C까지 분당

1 'C씩 숭옹 시 킨 후 1시간동안 유지를 통해 이루어졌다. 탄소화는 원통형 석영관에서 산화 안정

화된 섬유웹올 넣고 질소분위기에서 1000'C까지 분당 5 'C씩 승옹 후 1시간동안 유지하여 행해졌

다. 그리고， 이 탄소나노섬유 웹올 질소분위기에서 800 'C까지 분당 5 'C씩 숭온후 1시간동안 유지

하며 30vol.%의 수중기를 가하여 활성화시켰다. 이렇게 만들어진 PAN/PVP 탄소나노섬유의 표

면특성올 알기위해 주사 전자 현미경 (SEM , Hitachi Co. , S-4700 , Japan)올 이용하였다.

2.3 천기화학척 륙성 측정

위에서 제조된 PAN/PVP 카본 나노섬유룰 가로， 세로 1.5cm X 1. 5cm로 절단하여 사용하였으며 ，

전해질로는 GM KOH수용액을 사용하였다. 집전체로는 50μm의 Ni판을 사용하였으며， 환리막으

로는 polyprop yle ne sheet (PP , Celgard CoJ 을 사용하여 ce ll을 제조하였다. Ce ll을 제조한 후

양극에는 coun te r와 refe rence e lectrode를 연결하고， 옴극에는 working과 sense e l ec trode를

연결하였다. 전기화학적인 특성은 galvanostatic charge/discharge와 cyclic voltamme try (CV)

를 통해서 이루어졌다. 축적 용량은 식 (1)을 기준으로 하여 방전 기울기를 통해서 계산할 수 있

었다.

C = i(t!V) (1) 여기서 C는 ce ll 의 축적용량을 나타내고 i는 방전 current (A) , t는 0.54V에서 0.4 5V까지의 방

전시간올 나타내며 ， V는 방전시간 중 변화된 전압올 나타낸다. 이렇게 계산된 값윤 단위 무게 당

축적용량인 비축적 용량으로 나타내기 위해 식 (2) 로 계산한다

C n=2C/m (2)

여기에서 m은 각 전극의 무게 (g) 이다.

웅용화학， 제 13 권 제 1 호， 2α꺼

전기방사에 의 한 POlyacrylonitrilc!Polyvinylpyrrolidone 탄소나노섬유의 전기화학적 인 특성 63

3. 철과 및 토론

Fig. 1 은 안정화 , 탄소화， 활성화 과정을 거친 탄소섬유 표연의 주사현미경 사진 (SEM) 이다.

Fig. 1 (a) 는 PVP를 섞지않은 PAN 탄소나노섬유의 SEM 사진이고. Fig. 1 (b.c.d) 는 PVP를 섞어

서 제조한 탄소나노섬유의 SEM 사진이다. 섬유는 집전체에 수직방향으로 일정한 방향성올 가지

고 형성되어있었고. PAN 탄소나노섬유의 직경분포는 270nm-455nm 였으며 평균직경은 347nm

였다. 20PVP. 30PVP 그리고 40PVP의 평균직경은 각각 191nm. 120nm. 149nm였다. 여기에

서 알 수 있는 사실은 PVP를 첨가하였을 때 섬유의 평균직경이 가늘어진다는 것이다. 이것은

PVP용액과 PAN용액의 점도차이로 인하여 발생되며. PVP 첨가가 PAN용액의 점도를 낮추는 효

과를 가져오는 것올 추측할 수 있었다. 하지만 40wt%이상으로 PVP가 첨가되게되면 다수의 비드

가 발생되는 불균일 방사가 일어나면서 직경은 오히려 증가하게 된다.

Fig. 2는 전극의 cyclic voltammograms (CV) 를 나타낸 그래프이다. 0-0 . 9V의 vo l tage의 범위

내에서 6M의 KOH 수용액을 전해질로 사용하여. 20mV/sec로 측정되었다. PVP 첨가에 의해 직

사각형 모양의 그래프가 확장되어지는 것올 확인할 수 있었다. 이것은 PVP를 첨가하여 안정화，

탄소화， 활성화의 공정올 거치면서 열분해되어 사라지는 PVP가 만들어내는 공간으로 인해 비표

연적이 증가하였기 때문이다. 또한. mesopore가 생성되면서 이옹의 이동이 원활하게 이루어지는

것으로 생각할 수 있다 [3). 그러나. 40wt%의 PVP를 첨가하게 되었올 때부터 약간 감소하게 되

는데 이것은 방사되는 섬유가 불균일해지고， 많은 비드가 발생되연서 비표연적이 감소하게 되며

mesopore의 생성이 저하되어지는 것으로 생각되어진다.

Fig. 3은 전기용량과 탄소나노섬유의 직경에 관하여 나타낸 그래프이다. 30wt%를 넘어서면서부

터는 섬유의 직경이 중가하는 것올 알 수 있고， 전기용량 또한 30wt%올 넘어서면서부터 조금씩

감소하는 것올 확인할 수 있다. 닫소나노섬유의 직경과 방사되어지는 섬유의 균일성이 전기용량에

영향올 미치는 것올 알 수 있다.

4. 철 론

본 연구에서는 Polyacrylonitrile (PAN ) 과 Polyvinylpyrrolidone (PVP) 을 혼합방사하여 얻어

진 섬유를 안정화， 탄소화， 활성화의 공정올 통해 탄소나노섬유를 제조하였고. electrochemical

capacitor의 전극으로 사용하여 전기화학적인 특성올 알아보았다. 30wt%의 PVP를 첨가하였올때

비표면적의 증가. mesopore의 생성으로 인해서 가장 높은 천기용량과 가장 가는 섬유의 직경을

얻을 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 교육인적자원부 BK21 사업지원으로 수행되었옴.

참고문현

[l) Conway. B. E.. elec troche mica l Supe rcapacitors. Kluwer Ac ademic and plenum

Publishers. New Youk(999).

[2] Nishino. A .. J .Power Sources. 60. 137 (996).

[3] G. Gryglewicz. J. Machnikowski. E. Lorenc-Grabowska. G. Lota , and E. Frackowiak.

Electrochim. Acta,50, 1197 (2005).

Applied Chemisσy， Vol. 13. No. 1. 2009

64 박석환 · 주동혁 · 이완진

(a)

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(

(c) (d)

Fig. 1 SEM images of (a) PAN (b) 20PVP (c) 30PVP (d) 40PVP

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