[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

초소형 전자기기, 웨어러블 컴퓨터 등 미래 사물인터넷(IoT) 시대에 필요한 에너지 공급원으로써 마이크로 스케일(micro-scale) 전원이 주목을 받고 있다. ‘마이크로슈퍼커패시터(Microsupercapacitor)’는 크기가 작고, 수명이 길며, 출력이 높다는 특성을 가져 초소형전원으로써 가장 주목받고 있다. 일반 이차전지는 리튬 이온의 화학적 반응을 통해 충·방전하지만, 슈퍼캐패시터는 탄소 소재의 활성탄에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용해 충·방전한다. 일반 이차전지와 비교하면 에너지 밀도(충전량)는 적지만, 순간적인 고출력을 낼 수 있고 수명도 길다.

그러나 현재까지 진행된 대부분의 마이크로슈퍼커패시터 연구는 반도체 제작 공정인 포토리소그라피(Photolithography) 공정을 거치는 복잡성으로 인해 ‘디바이스 일체형 초소형 전지’ 구현이 불가능했다. 또 기존 마이크로슈퍼커패시터는 실제 초소형 전자기기에서 요구하는 맞춤형 출력(전압, 전류)도 구현하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 잉크젯 프린팅(Inkjet printing) 기반의 마이크로슈퍼커패시터도 발표가 됐지만, 프린팅 정밀도의 한계로 여전히 초소형화가 어려운 실정이었다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 ‘디바이스 맞춤형/일체형 마이크로슈퍼커패시터’ 구현을 위해서 ‘전기수력학 프린팅(Electrohydrodynamic jet-printing; EHD jet-printing) 기반의 칩형 마이크로슈퍼커패시터 제조 기술’을 개발했다. 이 기술을 이용하면 동전보다 작은 크기의 칩 안에 수십 개의 초소형 슈퍼커패시터를 집적화할 수 있다.

전기수력학 프린팅은 잉크젯 프린팅보다 수~수십 배 높은 정밀도를 갖는 차세대 프린팅 기법이다. 연구팀은 전기수력학 프린팅 방식을 통한 전지 제작이 가능하도록 전지의 구성요소들을 잉크 형태로 제조하고, 각 재료의 분산성 및 물리적 특성을 전기수력학 프린팅이 가능하도록 조절했다.

활성탄 기반의 전극 잉크 제조를 위해 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose; CMC)의 정전기적 반발력에 의한 높은 분산성을 갖는 잉크를 구현했다. 또 다양한 제작/구동 환경에서 전지의 구동 및 좁은 공간에서의 집적화를 위해 이온성 액체(Ionic liquid) 기반의 프린팅 가능한 고체상 겔 전해질을 설계했다. 좁은 공간에 초소형 전지를 여러 개 프린팅한 이후, 자외선을 쪼여 전해질을 굳힌 것이다. 그 결과 강한 진동에도 형상을 유지할 수 있으며, 수십 개의 전지를 집적화하고 직렬연결할 수 있었다. 전기수력학 프린팅을 통해 제작된 전극은 최소선폭(Feature size)이 10마이크로미터(㎛)로써, 현재까지 개발된 프린팅 기반의 마이크로슈퍼커패시터 중 가장 미세한 값을 보인다. 이러한 소재와 구조, 공정의 특징 덕분에 미세한 패턴으로 전지를 디자인할 수 있다. 또 디바이스 구동 전압에 맞춰 다양한 형태로 직렬/병렬연결이 가능하다.

궁극적으로, 동전보다 작은 크기(0.8㎜ x 0.8㎜)의 칩 위에 36개의 전지를 집적화 및 직렬연결함으로써 기존에 보고된 적 없는 가장 높은 단위면적당 전지밀도(54.9 cells/㎠)와 단위면적당 구동전압(65.9 V/㎠)을 달성했다. 또 정상적인 슈퍼커패시터 전지 거동을 보이며, 10000회 충·방전을 반복해도 용량이 감소하지 않았으며, 80℃ 고온에서도 전지 특성이 유지됐다.

3. 기대효과

이번 연구의 결과물은 전기수력학 프린팅을 이용해 초소형 칩 위에 제작한 전지다. 이는 IoT 시대에 필수적인 마이크로일렉트로닉스의 구동에 가장 큰 걸림돌 중의 하나였던 전원 문제를 해결할 수 있는 원천기술이다.

한편 좁은 공간 내에 초소형 전지를 집적화하는 원천기술은 마이크로슈퍼커패시터 뿐 아니라, 다른 전기화학 시스템 및 디바이스에 확장 적용 가능할 것으로 예상된다. 이는 향후 디바이스 맞춤형 초소형전원 구현에 새로운 방향을 제시할 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1. 마이크로슈퍼커패시터(Microsupercapacitor)

전극 표면에서 전자와 이온의 흡/탈착에 의해 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터를 초소형화한 전지로써 IC카드, 소형센서, 웨어러블 디바이스 등에 사용된다. 일반적 이차전지보다 수명이 길고 출력이 높다는 장점이 있다.

2. 포토리소그래피(Photolithography)

반도체 제작 공정에 사용되는 미세공정기법으로 산화공정, 포토공정, 식각공정, 박막공정, 배선공정 등 여러 단계의 공정으로 이뤄진다.

3. 전기수력학 프린팅(Electrohydrodynamic jet-printing)

노즐과 기재 사이에 가해지는 전기장에 의해 잉크를 프린팅하는 차세대 초정밀 프린팅 기법으로, 기존의 잉크젯 프린팅 대비 수~수십 배 높은 정밀성을 가진다.

4. 카르복시메틸 셀룰로오스 (Carboxymethyl cellulose)

셀룰로오스 골격에서 하이드록시 기능기가 카르복시메틸 기능기로 치환된 셀룰로오스 유도체를 지칭한다.

5. 집적화

기능의 직접 연결을 목적으로 좁은 공간 내에 다수의 부품을 결합해 제조하는 일.

[붙임] 그림설명

그림1. 전기수력학 프린팅을 이용한 마이크로슈퍼커패시터 제조 모식도. (a) 집전체가 패터닝된 실리콘 칩 기판 위에 순차적으로 전극과 전해질을 프린팅한 이후, 자외선 조사를 통하여 고체화함으로써 초소형 마이크로슈퍼커패시터 제조가 가능함. (b) 이 공정을 작은 칩 내에 집적화함으로써 초소형 전자기기의 전원으로 활용할 수 있다.

그림2. 전극 프린팅 과정. 칩형 마이크로슈퍼커패시터를 구성하는 전극 잉크가 노즐을 통해 집전체 위에 정밀하게 프린팅되고 있다.

그림3. 초소형 마이크로슈퍼커패시터의 단위전지. (a-c) 사람 지문과 비슷한 크기의 단위전지는 칩 기판 위에 깍지형 전극이 서로 교차하고 있는 형태이며, 그 위로 고체상 겔 전해질이 도포돼 있다. (d) 제조된 단위전지는 정상적인 전기화학 거동을 보이며, (e) 이를 적절히 연결해 마이크로 LED에서 요구하는 출력특성을 구현했다.

그림4. 단위전지가 집적화된 칩형 전지. (a) 동전보다 작은 크기의 칩 내에 36개의 단위전지를 집적화했다. 제조된 전지는 높은 단위면적당 전지 밀도(54.9 cells/㎠) 및 단위면적당 최대 구동전압(65.9 V/㎠)을 달성했다. (b) 회로 기판 내에 일체화함으로써 칩형 전원으로써 적용 가능성을 보여줬으며, (c) 다양한 전압 범위에서 구동 가능성 및 (d) 10000회 충·방전의 수명특성과 80℃에서 구동 가능한 높은 열적 안정성을 보여준다.