우리 대학 기계공학부·지능형에너지산업융학학과 인정빈 교수 연구팀이 레이저 금속 3D 프린팅을 이용한 ‘3D 구조 마이크로 슈퍼커패시터’ 제조 기술을 자체 개발하는 데 성공했다.

(왼쪽부터) Tran Van Chau 박사, Do Minh Huan 석사과정생, 인정빈 교수

최근 5G 통신, 사물인터넷(IoT, Internet of Things), 웨어러블 기기 등의 시장이 성장함에 따라 고출력을 갖는 초소형 에너지저장 소자에 대한 관심이 커지고 있다. 

특히, 마이크로 슈퍼커패시터(Microsupercapacitor)가 이러한 시장 수요에 부응하는 차세대 초소형 에너지 저장소자로 주목받고 있다. 크기가 작고, 수명이 길며, 출력이 높다는 특성을 지니고 있기 때문이다. 

문제는 제한된 전극 면적 탓에 마이크로 슈퍼커패시터의 에너지 저장 용량에 한계가 있다는 점이다. 3D 전극 구조를 갖는 입체형 마이크로 슈퍼커패시터가 문제 해결책으로 떠올랐지만, 기존 제조 방법으로는 낮은 생산성, 안전성, 내구성 등의 문제를 해결하기 어려웠다. 

DED 방법으로 프린팅된 3D 마이크로 금속 집전체

인정빈 교수 연구팀은 4차 산업 10대 미래 유망 기술로 주목받고 있는 금속 3D 프린팅 기술을 통해 문제를 해결했다. 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하는 동시에 금속 분말 소재를 공급해 적층함으로써 우수한 기계적 강도와 전기 전도성을 지니는 ‘직접 에너지 적층(DED, Direct Energy Deposition)’ 기술을 인 교수 연구팀은 해법으로 선택했다. 그 결과 연구팀은 DED 방법을 통해 지름 110마이크로미터, 높이 1.5밀리미터 크기의 마이크로핀으로 구성된 어레이 구조의 3D 금속 집전체를 프린팅하는 데 성공했다. 

이번 연구성과는 피인용도(IF, Impact Factor) 20.4를 기록한 국제 저명 학술지 ‘Energy Storage Materials’에 게재됐다. 논문의 주저자로는 우리 대학 기계공학부 Tran Van Chau 박사과정생, 지능형에너지산업융합공학과 Do Minh Huan 석사과정생이 이름을 올렸고, 인 교수는 교신저자를 맡았다. 상세한 연구 내용은 ‘Laser-directed energy deposition to achieve high-aspect-ratio micropillar arrays for 3D interdigitated microsupercapacitors’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 

인 교수는 “이번 연구는 초소형 3D전극 제작을 위한 DED 기반 금속 마이크로 프린팅 기술의 가능성을 보여준 것”이라며, “해당 기술이 에너지저장 소자뿐만 아니라 향후 다양한 마이크로 소자 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 전했다.