매우 얇은 산화아연 나노튜브 합성 및 리튬이온배터리 음극재 이용

Abstract

ZnO 나노구조 형태는 반도체성, 압전성 및 초전기의 여러 특성을 가지고 있어 광범위하게 지난 몇 년 동안 연구되어왔다. 다양한 나노구조 사이에서 일차원(1D)의 ZnO 나노구조는 여러 형태로 존재하며 다양하게 응용 가능성이 있어 주목을 받고 있다. 1 차원 나노구조는 높은 종횡비 및 전기 접촉 시 전자의 수송능력이 매우 우수한 특성 가지고 있어 넓은 비표면적에서 오는 표면 감도와 뛰어난 반응성을 나타낼 수 있다. 따라서 고성능 센서, 전기-화학 소자, 고체상태의 에너지 변환 소자 등으로 사용하면 유용 할 것이다. 그러나 1 차원 ZnO 나노구조는 여전히 수십 나노(nm)보다 더 큰 직경을 가지고 있기 때문에 그 특성 또한 박막 구조들과 별반 차이를 나타낼 수 없다. 하지만 나노튜브 구조는 1 차원 나노구조들 보다 더 넓은 표면적을 가지고 있어 보다 우수한 반응성이 예상되기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 또한, 내부 빈 공간의 존재하므로 나노 유체, 이온 교환, 촉매 및 저장-배달-방출 시스템 등 다양한 분야에서 추가 응용이 가능하다. 본 연구에서는 수열합성법으로 제조된 ZnO 단결정 나노막대의 열처리를 통해 매우 얇은 ZnO 나노튜브를 형성시키고 그 특성을 연구 하였다. 매우 얇은ZnO 나노튜브는 구조적으로 육각모양과 튜브구조 형상 상부가 막혀있음을 관찰하였고 물성 분석으로 광전자분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy XPS) 분석을 통해 ZnO 나노튜브 표면에 매우 얇은 Zn3N2 껍질구조가 형성되었음을 관찰할 수 있었다. 일반적인 ZnO는 리튬이온 전지 음극재료로 사용 시 리튬이온이 삽입/탈리 때 부피변화가 크기 때문에 여러 번 충방전 시 결정구조의 변화가 커서 사이클 수명이 매우 감소한다. 하지만 매우 얇은 ZnO 나노튜브는 비여있는 내부 공간 때문에 우수한 전기화학 반응과 사이클 특성을 보여주고 있다.