맥신 소재 활용 '에너지 저장 소자' 대량 생산…기술 개발

경북대·나노종합기술원·카이스트 연구팀 개발

고성능 맥신 마이크로슈퍼캐패시터 제작기술

[대구=뉴시스] 경북대학교. (사진=뉴시스 DB). [email protected]
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[대구=뉴시스] 박준 기자 = 경북대학교·나노종합기술원·카이스트 연구팀은 8인치 크기의 대면적 플렉서블 기판 위에 고성능 마이크로슈퍼캐패시터(Microsupercapacitor)를 제작할 수 있는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 웨어러블 기기와 같은 소형 전자기기에서 더 오래 지속되며 효율적인 에너지 저장 장치를 구현할 수 있는 기반을 마련했다. 8인치 웨이퍼 공정을 활용한 대면적 제작 기술을 개발해 소자의 대량 생산 가능성을 제시했다.
 
경북대 나노신소재공학과 이용희 교수팀은 나노종합기술원 안치원 나노소재개발센터장, 카이스트 생명화학공학과 이진우 교수와 공동 연구로 차세대 2차원 나노 소재인 맥신(MXene)을 이용해 8인치 대면적 플렉서블 기판 위에서 고성능 마이크로슈퍼캐패시터 소자를 제작하는데 성공했다.

마이크로슈퍼캐패시터는 높은 출력 밀도와 빠른 충·방전 속도, 긴 사이클 수명을 가지는 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다.

특히 맥신은 티타늄과 탄소 원자 등으로 이뤄진 얇은 판 모양의 2차원 물질이다. 우수한 전기전도성과 조절이 가능한 표면 화학적 특성을 지니고 있어 플렉서블 마이크로슈퍼캐패시터의 핵심 소재로 각광받고 있다.

기존 맥신 기반 플렉서블 마이크로슈퍼캐패시터 연구는 주로 대학 등의 작은 실험실 규모에서 진행됐다. 소면적 기판을 이용한 개별 소자 제작 방식이 일반적이었다. 이로 인해 웨이퍼 수준의 대면적 공정 기술이 부족해 산업 확장에 한계가 있었다.

대면적 플렉서블 기판 위에서는 기존의 소규모 제작 방식 적용이 어려워 전극 패턴을 직접 형성하는 대신 전사(transfer) 방식을 사용해야 했고 이로 인해 제작 수율이 낮았다.

연구팀은 나노종합기술원의 고도화된 8인치 웨이퍼 공정 기술을 활용해 플렉서블 폴리이미드(PI) 기판 위에서 직접 전극 패턴을 형성하는 기술을 개발했다. 이를 통해 단일 공정으로 100개 이상의 플렉서블 소자를 동시에 생산할 수 있게 됐다.

기존에는 각 소자를 개별적으로 제작해야 했기 때문에 시간이 많이 소요됐으나 이번 연구에서는 대면적 기판 위에서 다수의 전극을 동시에 형성할 수 있는 공정을 확립해 생산 효율성을 획기적으로 향상시켰다.

또 맥신 전극을 플렉서블 폴리이미드 필름 위에 직접 형성할 경우 발생할 수 있는 성능 저하 문제를 해결하기 위해 폴리머 버퍼층을 도입해 전극의 기계적 안정성을 강화하고 충·방전 과정에서도 전기화학적 성능을 유지하도록 설계했다.

이 교수는 "이번 연구는 맥신 소재를 활용한 유연한 에너지 저장 소자의 대면적 제작 가능성을 실현한 점에서 큰 의미가 있다"며 "고성능과 내구성을 동시에 갖춘 플렉서블 에너지 저장 소자를 개발함으로써 미래 유망소자인 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 센서, 전자 피부(e-skin) 등 다양한 분야에서 응용이 가능할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 나노종합기술원의 반도체-이차전지 인터페이싱 플랫폼 기술개발 사업과 한국연구재단의 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

연구 결과는 JCR 상위 3% 국제학술지인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal) 2월호에 게재됐다.


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