공과대학 화학공학과 장석태 교수 연구팀이 유전영동(dielectrophoresis)을 이용해 금 나노입자의 자기조립으로 나노다공성 마이크로와이어 전극구조를 형성함으로써 높은 에너지 밀도를 갖는 온칩(on-chip) 마이크로 슈퍼커패시터를 개발했다.

서승덕 석사과정생, 오인혁 석박통합과정생, 장석태 교수

최근 웨어러블 초소형 전자소자, 사물인터넷, 지능형 마이크로 로봇과 무선 마이크로 센서 등 고집적 전자소자 분야가 급속히 발전하고 있다. 이러한 초소형 소자의 지속적이고 자율적인 작동을 위한 소형 에너지 저장 장치로 마이크로 슈퍼커패시터가 큰 각광을 받고 있다. 깍지형 전극구조(interdigitated electrodes)를 통한 효율적인 공간 활용, 소자 맞춤형 통합과 안정적인 전기화학적 성능, 충전의 용이성 등 장점이 많아서다. 

나노다공성 마이크로와이어 전극을 이용한 온칩 마이크로슈퍼커패시터 제작 모식도

마이크로 슈퍼커패시터의 초소형화, 전기화학적 동역학, 에너지 밀도에 결정적인 영향을 미치는 깍지형 전극 너비와 전극 사이의 간격을 줄이는 것이 온칩 마이크로 슈퍼커패시터의 중요한 기술적인 과제다. 깍지형 전극의 너비가 클수록 이온 확산 거리가 증가해 정전용량이 저하되고, 전극의 사이 공간이 넓을수록 이온 수송 효율이 감소해 전력 밀도가 줄어들기 때문이다. 

마이크로 슈퍼커패시터의 성능을 향상하기 위해서는 이온 수송 경로가 짧아질 수 있도록 전극의 너비와 간격을 줄여야 한다. 다만, 전극 너비가 너무 좁으면 전극의 활성 영역이 줄어들고, 전극에 증착하는 활성물질의 양이 감소해 정전용량이 감소한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 3D 전극구조를 통해 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하는 방법이 활용되고 있지만, 완전한 해결과는 거리가 멀었다. 향상된 정전용량을 보여주고는 있으나 3D 전극구조로 인한 집전체 두께 증가로 인해 고해상도의 초소형 깍지형 전극 제작이 어렵다는 한계가 분명했다. 전극 제작에 고가의 장비가 필요했으며, 방법도 복잡했다. 

마이크로와이어 전극 실시간 성장 영상(100배속)

장 교수 연구팀은 깍지형 전극 사이 갭 공간에 나노다공성 마이크로와이어 곁가지 구조를 형성해 전극 너비와 전극 사이 간격을 최소화하는 동시에 많은 양의 활성물질을 증착할 수 있는 새로운 전극구조를 개발했다. 

연구팀은 금 나노입자가 분산된 용액에 깍지형 전극을 통해 교류 전압을 인가해 유전영동에 의한 나노입자의 자기조립을 통해 전극 사이에 높은 전기화학적 반응 표면적을 가지는 나노다공성 마이크로와이어를 제작했다. 새롭게 개발된 온칩 마이크로슈퍼커패시터는 78% 증가한 정전용량으로 장시간 안정적으로 구동됐다. 향후 초소형 전자기기 구동을 위한 효과적인 에너지 저장 장치로의 활용이 예상된다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 4단계 BK21 미래인재양성사업, 산업통상자원부 차세대 디스플레이 공정장비소재 전문인력양성사업의 지원을 받아 수행된 것이다. 상세한 연구내용은 서승덕 석사과정생과 오인혁 석박통합과정생이 공동 제1저자, 장석태 교수가 교신저자로 발표한 논문 ‘On-Chip Micro-Supercapacitor with High Areal Energy Density Based on Dielectrophoretic Assembly of Nanoporous Metal Microwire Electrodes’를 통해 확인 가능하다. 이 논문은 재료과학 분야 국제학술지 Small(Impact Factor 13.3)에 18일자로 온라인 게재됐다.