김현재·김한성 교수팀, 굴곡 및 비정형 표면에 제작 가능한 차세대 3차원 마이크로슈퍼커패시터 개발

곡면에서도 정밀한 3차원 전극 구조 구현

고성능 에너지 저장 장치 혁신

세계적인 학술지 'Chemical Engineering Journal' 게재 

[사진 1. (왼쪽부터) 정수진 석박통합과정생, 김현재 교수, Debasish Mandal 박사후과정생, 김한성 교수]

전기전자공학과 김현재 교수 연구팀과 화공생명공학과 김한성 교수 연구팀이 굴곡 표면 상에서도 정밀하게 활용 가능한 3차원 구조의 마이크로슈퍼커패시터를 개발했다. 이번 연구는 차세대 전자기기에 필수적인 고성능 에너지 저장 장치를 집약된 스케일과 다양한 폼팩터로 구현할 것으로 기대돼, 높은 응용 가능성을 갖고 있다.

웨어러블 및 포터블 기기의 보편화로 다양한 폼팩터를 위한 고효율 마이크로슈퍼커패시터의 수요가 증가하고 있다. 하지만 기존의 제조 방법은 곡면과 같은 비정형 기판에서 정밀한 구조를 구현하는 데 한계가 있었다. 

[그림 1. 전기수력학적 인쇄 기법으로 평면 및 곡면에 제작된 마이크로슈퍼커패시터]

이러한 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 전기수력학적 인쇄 기술을 활용해 모든 기판에서 정밀한 고성능 3차원 마이크로슈퍼커패시터를 구현해 내는 방법을 고안했다. 연구팀은 전기수력학적 인쇄의 노즐 전압을 조절해, 평면 및 곡면 기판에서 정밀하고 균일한 3차원 구조를 형성했다.

또한 은(Ag)을 전류 집전체 및 전극 잉크의 기반 소재로 사용해, 균일하고 일관되게 계면을 형성한 모든 층을 인쇄하는 'all-printed’ 마이크로슈퍼커패시터를 구현했다. 3차원으로 인쇄된 마이크로슈퍼커패시터는 144 µm의 전극 선폭과 4.2의 높이/폭 비율을 달성하고, 기존의 상용화된 기술에 비해 뛰어난 정밀도를 보여줬다. 이러한 3차원 구조 마이크로슈퍼커패시터는 면적당 763.1 mF cm-2의 전기용량과 256.6 µWh cm-2의 에너지 밀도를 나타내, LED를 성공적으로 점등시키는 등 우수한 전기화학적 성능을 입증했다.

이번 연구 결과는 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대되며, 특히 차세대 전자기기에 활용될 고성능 에너지 저장 장치의 혁신적인 기술 돌파구로 주목받고 있다. 김현재 교수는 "이번 연구는 고성능 마이크로 슈퍼커패시터의 구현을 위한 새로운 기술적 가능성을 제시했다."며 "앞으로도 지속적인 연구를 통해 실용화할 수 있는 기술 개발에 힘쓰겠다."고 밝혔다.

한편 연구 결과는 화학공학 분야의 권위 있는 학술지 'Chemical Engineering Journal(IF 15.1, JCR 상위 3.1%)'에 게재됐다.

논문정보

● 논문 제목: All-Printed 3-Dimensional Micro-Supercapacitors with Homogeneous Ag Interface: Achieving Precision on Curved Surfaces through Electrohydrodynamic Jet Printing

● 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154152