최고 수준 '마이크로 슈퍼커패시터 프린팅 기술' 개발

경상국립대 조대현 교수팀, 국제 공동연구 고안정·고점도 맥신 기능성 잉크 개발 기술

[진주=뉴시스]경상국립대학교 메카트로닉스공학부 조대현(왼쪽) 교수, MXene 기반 전기수력학적 젯 프린티드 마이크로슈퍼커패시터.(사진=경상국립대 제공)[e-mail] *재판매 및 DB 금지

[진주=뉴시스] 정경규 기자 = 경남 진주 경상국립대학교 IT공과대학 조대현 교수팀은 산화 안정성이 뛰어난 맥신(MXene) 잉크를 개발하고 세계 최고 수준의 체적 정전용량을 갖는 마이크로 슈퍼커패시터의 프린팅 기술을 구현하는 데 성공했다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 성균관대학교 기계공학부 변도영 교수, 아부다비 칼리파대학교 하산 A. 아라파트 교수 연구팀과 국제 공동연구로 이뤄낸 쾌거이다.

마이크로 슈퍼커패시터는 센서, 웨어러블 디바이스, 사물인터넷(IoT) 노드 등 초소형 전자기기에 집적되는 차세대 에너지저장 소자로, 칩 위에 바로 인쇄해 배터리 대신 사용할 수 있는 것이 장점이다.

이를 위해서는 높은 전기전도도와 넓은 표면, 친환경 인쇄 공정, 그리고 높은 에너지·전력 밀도를 동시에 만족해야 한다.

2차원 나노재료인 티타늄 카바이드 맥신은 뛰어난 전기전도도와 넓은 비표면적을 가져 인쇄형 에너지저장 소자에 이상적인 후보로 주목받아 왔다.

그러나 물 기반 잉크에서는 산화가 빠르게 진행되고, 유기용매 기반 잉크에서는 분산 안정성이 떨어지며 고점도 잉크 제조가 어렵다는 한계 때문에, 고해상도 전기수력학적 젯 프린팅 공정에 적합한 기능성 잉크를 구현하기 어려웠다.

조대현 교수의 국제 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 맥신 표면에 알킬화된 3,4-디하이드록시-L-페닐알라닌(3,4-dihydroxy-L-phenylalanine)을 화학적으로 결합시킨 ‘ADS-MXene’을 먼저 합성했다. 이어 이 ADS-MXene을 카복시메틸 셀룰로오스와 친환경 하이브리드 유기용매에 분산시켜 잉크화했다.

연구팀은 개발한 잉크와 전기수력학적 젯 프린팅 공정을 이용하여, 80㎛ 해상도의 인터디지테이티드 전극 패턴을 구현했으며, 6 cells/cm²의 집적도를 갖는 15개의 마이크로 슈퍼커패시터 유닛을 집적한 고집적 마이크로 슈퍼커패시터 칩도 제작했다.

완성된 마이크로 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능 평가 결과, 체적 정전용량(C/V) 2013 F/cm³, 그리고 최대 에너지 밀도 약 100.7 mWh/cm³를 달성해, 지금까지의 프린팅 기술로 제조한 맥신 기반 마이크로 슈퍼커패시터 가운데 가장 높은 체적 정전용량과 에너지 밀도를 기록했다.

또한 1만 회 이상의 충·방전 사이클을 반복한 결과, 정전용량이 초기 대비 95% 이상 유지됐다. 나아가 연구팀은 유리·실리콘 기판 뿐만 아니라 페트(PET)나 피아이(PI) 같은 유연 기판에서도 나선형 패턴과 직선 패턴을 안정적으로 인쇄해, 플렉서블 전자기기 적용 가능성을 실증했다.

조대현 교수는 “이번 연구는 맥신 소재의 고질적인 산화 안정성 문제와 인쇄 공정상의 병목을 동시에 해결한 사례”라며 “독성이 낮은 하이브리드 유기용매 기반 고점도 잉크로 80㎛급 미세 패턴을 안정적으로 인쇄할 수 있어, 차세대 웨어러블 전자기기 및 초소형 센서용 전원 소자 분야의 핵심 원천기술이 될 것”이라고 말했다.

☞공감언론 뉴시스[e-mail] <저작권자ⓒ 공감언론 뉴시스통신사. 무단전재-재배포 금지.>