나노기술 및 정책 정보

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중국 베이징(北京) 이공(理工) 대학교 취량티(曲良體, 곡량체) 교수 연구팀은 평면 그래핀 베이스 마이크로 슈퍼 커패시터(Microsupercapacitors, MSC) 연구를 수행하여 혁신성과를 획득함. 그래핀 베이스 전극 소재의 내부적인 구조 조정 제어, 그래핀 베이스 전극 소재 구체 제조 기술, 플렉시블 및 시트 상에서의 에너지 저장 관련 멀티 기능 집적 및 MSC 각 종 응용 등이 포함됨.

연구팀은 평면 그래핀 MSC의 실제 응용 실현을 위한 선행 연구를 실행하였음.

휴대 타입, 스마트 전자 설비와 웨어러블 설비의 신속한 발전에 따라 멀티 기능을 MSC 상에 집적하는 형식은 트렌드가 되고 있음.

지금까지 연구팀은 이미 평면 그래핀에 기반 한 MSC의 확장을 실현함으로써 인장이 가능하고 자체적인 치유와 자극 응답 집적을 실현한 동시에 MSC와 에너지 수집 설비 및 마이크로 센서를 집적하고 이런 멀티 기능을 웨어러블 설비 분야에 집적하여 응용하기 위한 연구를 수행함.

그래핀 베이스 평면 MSC 분야에서 다양한 성과들이 배출되고 있지만 여전히 여러 가지 과제에 직면하여 있음. 그 중 부분적인 과제들은 매우 관건적인 과제에 속하는 것으로 나타났으며, 연구팀은 이번 연구를 통해 다음과 같은 연구과제들을 해결해야 한다는 결론을 도출함.

우선, 그래핀 시트의 불가역 집중은 표면적의 대량 손실을 발생시키며, 그래핀의 실제 전기 용량이 비교적 낮은 상황임. 이런 상황은 전기 용량 성능의 향상에 심각한 영향을 끼치고 있으며, 효과적인 전략은 더욱 큰 표면적과 더욱 이상적인 성능을 보유하고 있는 신형 나노 구조를 보유하고 있는 그래핀 하이브리드 소재를 개발하여 고급 MSC에 활용하는 전략임.

다음, 지금까지 이미 다양한 방법을 사용하고 있는데 예를 들면 프린팅(Printing), 레이저 각인(Laser engraving)과 템플릿 방법 등을 이용하여 그래핀 베이스 평면 MSC를 제조하지만 활성 물질의 존재 형식이 다르기 때문에 매 개 방법은 모두 강점과 한계성을 보유하고 있음.

때문에 제일 적합한 제조 전략을 선택하거나 일종 새로운 범용 방법을 개발하여 다른 전극 소재를 보유한 평면 MSC를 개발하는 과제는 중요한 의미를 보유하고 있는 과제에 속함.

세 번째, 필요한 응용에 대해 MSC는 일반적으로 직렬연결, 병렬연결 혹은 두 가지 연결 방식을 결합하여 필요한 에너지, 전압과 전류 요구를 충족시켜야 함.

조절이 가능한 화학 성능에 대한 집적 방식을 보유하고 있는 MSC 배열에 대한 확장 제조는 실제 마이크로 전자학 요구를 충족시킬 수 있지만 일반적으로 단일 MSC와 동일 전기 용량을 생성시키게 됨.

집적회로 전기 용량 성능은 어울리지 않기 때문에 전면적인 연구를 수행하여 제조한 MSC 배열의 규모와 실제 송출 성능 간의 관계에 대한 상세한 설명을 실행해야 하는 동시에 제조 방법 최적화를 통해 평면 MSC에 유리할 수 있게끔 해야 함.

마찬가지로 자체 복구는 제조한 MSC의 전기 화학 성능과 구조의 완벽성을 확보하는 중요한 기능이 되고 있음.

하지만 대부분의 연구개발 성과 관련 보도를 보면, 자체적으로 치유된 기판만 사용하고 자체적으로 치유된 활성 전극 소재를 사용하지 않은 것으로 나타남. 이런 상황은 실제 치유 후의 전기 용량 성능에 영향을 끼치기 때문에 자체 치유가 가능한 전극 소재를 이용하여 개발한 더욱 내구적인 MSC를 사용해야 할 필요가 있음을 의미하고 있음.

네 번째, 다양한 집적 시스템, 예를 들면 나노 발전기/MSC 시스템, 태양전지/MSC 시스템과 자체 충전 센서 등이 개발된 상황이지만 여전히 초급 수준에 처해 있으며, 관련 성능은 여전히 실제 응용 요구를 충족시키지 못하고 있음.

때문에 선진적인 제조 기술과 집적 회로 디자인을 결합하여 전체 구조의 배치를 최적화 하고 MSC 성능 개선을 실현해야 함.

그 외, 대부분의 소형화 및 스마트화 마이크로 전자 분야에서 집적 방식의 MSC 시스템 디자인은 더욱 높은 집적 정도와 더욱 작은 설비 체적 실현을 목표로 확정해야 함.

동시에 향후에는 빅 데이터, 머신 러닝, 얼굴 인식과 인공지능이 평면 MSC와 통합될 수 있도록 하여 더욱 많은 응용 분야를 실현할 수 있도록 해야 함.

본 연구 성과는 ‘Small’ ("Planar Graphene‐Based Microsupercapacitors")에 게재됨.