요약
사람 지문의 폭만큼 작아 전자 칩(chip)에도 일체화 할 수 있는 '초소형 슈퍼커패시터'가 개발됐습니다. 잉크젯 프린팅보다 수~수십 배 높은 정밀도를 갖는 차세대 프린팅 기법인 '전기수력학 프린팅' 기반의 칩형 마이크로슈퍼커패시터 제조 기술을 개발했습니다. 이를 각 부품에 적용하면 독립적 구동이 가능해 사물인터넷(IoT) 시대를 이끌 기술로 주목받고 있습니다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 이상영 교수팀은 전자 부품들과 일체화할 수 있는 '칩 형상의 마이크로슈퍼커패시터(Microsupercapacitor)'를 개발했습니다. 제작과정을 프린팅 공정으로 단순화하고 프린팅 정밀도를 높여 부품 손상 없이 일체형 초소형 전원 시스템을 완성했습니다. 해당 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다.
- 마이크로슈퍼커패시터(Microsupercapacitor)
전극 표면에서 전자와 이온의 흡·탈착에 의해 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터를 초소형화한 전지로써 IC카드, 소형센서, 웨어러블 디바이스 등에 사용됩니다. 일반적 이차전지보다 수명이 길고 출력이 높다는 장점이 있습니다.
슈퍼커패시터, 여러 장점에도 불구하고 한계 존재
슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 탄소 소재의 활성탄에서 전자가 붙고 떨어지는 현상을 이용해 전기 저장하고 이를 사용하는 장치입니다. 리튬을 쓰는 이차전지에 비해 출력이 크고 수명이 긴 장점이 있는데요. 특히 반도체 제작 공정을 통하면 초소형화도 가능해 IoT 기기나 입는 전자기기(wearable device) 등에 적합합니다. 초소형 슈퍼커패시터를 전자 부품에 직접 연결해 ‘전원 일체형 전자기기’를 만들 수 있는 겁니다.
하지만 반도체 제작 공정 중 발생하는 열이나 화학물질에 의해 전자 부품이 손상될 우려가 있어 전자 부품에 직접 슈퍼커패시터를 결합하기는 어려웠습니다. 잉크젯 프린팅으로 전자부품 위에 슈퍼커패시터를 결합하는 방식도 정밀도가 떨어지는 한계가 있었습니다.
전극물질과 전해질을 잉크처럼 사용해 문제 해결
이상영 교수팀은 '전기수력학 프린팅(Electrohydrodynamic jet-printing)' 기법을 이용해 이 문제를 해결했습니다. 전극물질과 전해질을 잉크처럼 써서 부품 위에 찍어내는 것은 잉크젯 프린팅과 동일하지만 정전기적 힘으로 잉크가 번지는 현상을 줄여 정밀도를 높였습니다. 일반 잉크젯 프린팅 기법은 잉크를 '뿜어내기' 때문에 각 물질이 퍼지게 되는데 정전기적 힘을 이용한 새로운 기법은 잉크를 '잡아당겨' 번짐이 적습니다. 이 기법을 쓰면 선폭 1마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m)이하 까지 정밀하게 프린팅 가능합니다.
제1저자로 논문에 참여한 이권형 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "전기수력학 프린팅 기법으로 1제곱센티미터(㎠)에 단위전지를 54.9개까지 제작할 수 있었고, 같은 면적에서 65.9볼트(V)의 출력을 달성했다"고 밝혔습니다.
연구팀은 이 기법을 이용해 동전보다 작은 칩(0.8cm x 0.8cm) 위에 전지 36개를 만들고 직렬 연결하는 데 성공했습니다. 이 전지들은 80℃의 온도에서 잘 작동해 실제 전자 부품의 작동하는 과정에서 발생하는 고열도 견딜 수 있었습니다. 또 이 전지들은 병렬이나 직렬로 자유롭게 연결 가능해 소형기기에 맞춤형 전원 공급이 가능합니다.
이상영 교수는 "IC칩처럼 좁은 기판 위에 전지를 고밀도로 집적함으로써 공간 제약 없이 전지 성능을 자유롭게 조절 가능한 기술"이라며 "좁은 공간에 전지를 집적하는 기술은 슈퍼커패시터뿐 아니라 다른 전기화학 시스템과 장치에 확장 적용 가능 할 것"이라고 기대했습니다.
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