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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 우쭝솨이(吳忠帥, 오충수) 연구팀은 류성중(劉生忠, 유생충) 연구팀과 공동 연구를 수행하여 멀티 기능을 보유하고 있는 수계(水系) MXene 실크 스크린 인쇄 잉크 개발에 성공함. 하이 플럭스(high flux) 방식으로 인쇄 가능한 높은 비교 에너지를 보유하고 있는 마이크로 슈퍼 커패시터와 마이크로 리튬 이온전지를 제조하고 MXene에 기반 하여 전체 플렉시블 자체 전력 공급 압력 센서 시스템을 개발함.

사물 인터넷, 인공 지능과 의료 모니터링 등 전자 설비 발전은 기능 민감성을 보유하고 수명이 길고 호환성이 강한 마이크로화 및 플렉시블화 전자 제품에 대한 수요를 자극하고 있음. 에너지 생산, 에너지 저장, 에너지 사용을 통합한 자체 전력 공급 시스템은 일종 실행 가능한 방법으로서 스마트 전자 제품을 제조하여 관련 수요를 충족시킬 수 있을 것으로 전망됨.

현재 이런 유형의 통합 시스템은 대부분 리소그래피(lithography), 레이저 절단, 전기 침적 등 다양한 제조 방법을 사용하고 있지만 양호한 호환성과 저렴한 원가를 보장하지 못하고 있음..

실크 스크린 인쇄 기술은 원가 효율이 높고, 하이 플럭스(high flux) 특성과 환경 친화적인 장점을 보유하고 있기 때문에 집적회로와 기능 디바이스 등 분야에서 응용 잠재력을 보임.

하지만 멀티 기능을 보유하고 있는 잉크 개발은 큰 도전에 직면하여 있는 상황임. MXene은 일종 이머징 2차원 전이 금속 탄화물, 질화물 또는 탄소 질화물로서 독특한 전기화학, 역학(力學), 광학과 기계적 성능을 보유하고 있으며, 멀티 기능을 보유하고 있는 MXene 잉크 개발을 통해 호환 집적을 실현 할 수 있는 상황임.

연구팀은 일종 멀티 기능을 보유한 수계(水系)의 인쇄 가능한 MXene 잉크를 디자인하고 개발하였는데, 잉크는 높은 전기 용량을 보유한 전극, 민감한 압력 센서 소재, 고전도 집류체(collecting fluid), 무(無) 금속 연접선, 전도 접착제로 사용할 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 직접 실크 스크린에 수계(水系)의 MXene 잉크를 인쇄하였고, 각 종 기판 상에서 MXene기(基) 마이크로 슈퍼 커패시터(MX-MSCs)를 양산할 수 있다는 점을 발견함. 제조한 마이크로형 슈퍼 커패시터는 1.1F/cm2의 높은 면적 전기용량을 보이며, 적층 인쇄 MXene 잉크를 통해 100개의 병렬연결의 무(無) 금속 집류체(collecting fluid)와 연접선의 마이크로형 슈퍼 커패시터는 60V의 전압을 송출할 수 있는 것으로 나타났음.

또한, 연구팀은 티탄산리튬, 인산철리튬과 MXene 복합 잉크를 인쇄하면 리튬이온 마이크로 배터리(MX-LIMBs)를 개발할 수 있으며, 동 배터리는 154μWh/cm2에 달하는 높은 면적 에너지 밀도를 보유한다는 점을 발견하였음.

그 외, 멀티 기능을 보유한 MXene 잉크를 통해 플렉시블 태양전지, 마이크로 슈퍼 커패시터/리튬 이온 마이크로 전지, MXene 하이드로젤 압력 센서에 대한 무 봉합 집적을 실현하고, 전체 플렉시블 특성을 보유한 자체 전력 공급 센서 집적 시스템을 개발함.

본 집적 시스템은 신체 운동 응답에 비교적 민감하고 응답 시간은 35밀리 초 수준에 도달하는 것으로 나타났으며, 멀티 기능을 보유하고 있는 MXene 잉크는 자체 전력 공급이 가능한 마이크로 시스템 인쇄를 위해 새로운 루트를 제공하고 있음.

본 연구 성과는 Advanced Materials ("Multitasking MXene Inks Enable High‐Performance Printable Microelectrochemical Energy Storage Devices for All‐Flexible Self‐Powered Integrated Systems")에 게재됨.