지문 폭만큼 작은 전지…전자부품 일체형 전원 시스템 완성

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이상영 UNIST 교수팀, '마이크로 슈퍼커패시터' 개발
정전기력 활용해 1㎠ 기판에 단위전지 54.9개 프린팅
이차전지보다 수명·출력도↑…80도 고온서도 작동

지문 폭만큼 작은 마이크로 슈퍼 커패시터 단위전지.
<지문 폭만큼 작은 마이크로 슈퍼 커패시터 단위전지.>

집적회로(IC) 카드, 소형센서, 웨어러블 디바이스 등을 자체 구동할 수 있는 초소형 고성능 커패시터(축전기)가 개발됐다. 사물인터넷(IoT) 기반 정보 이동 및 초연결산업 활성화에 기여할 전망이다.

울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈)은 이상영 에너지 및 화학공학부 교수팀이 초소형 전자 부품과 일체화해 사용할 수 있는 마이크로칩 형태 '마이크로 슈퍼커패시터'를 개발했다고 10일 밝혔다.

마이크로 슈퍼커패시터는 전극 표면에서 전자와 이온의 흡·탈착을 이용해 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터를 아주 작게 만든 초소형 전지다. 이차전지보다 수명이 길고 출력도 높다.

기존 기술로는 슈퍼커패시터와 전자 부품을 직접 결합하기 어려웠다. 반도체 공정을 이용한 결합은 열이나 화학물질로 인해 전자 부품 손상 우려가 높았다. 부품 위에 슈퍼커패시터를 뿌리는 방식의 잉크젯 프린팅은 번짐 현상으로 정밀도가 떨어졌다.

이상영 교수팀은 정전기력으로 프린팅하는 '전기수력학 프린팅' 기법을 이용, 선폭 1마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만분의 1m) 이하까지 정밀하게 프린팅해 이 문제를 해결했다. 1㎠ 기판 위에 단위전지를 54.9개까지 프린팅하고 출력 65.9볼트(V)를 달성했다.

동전보다 작은 칩위에 36개 단위전지를 직렬 연결한 마이크로 슈퍼커패시터.
<동전보다 작은 칩위에 36개 단위전지를 직렬 연결한 마이크로 슈퍼커패시터.>

이어 동전보다 작은 전자칩(0.8㎝x0.8㎝) 위에 단위전지 36개를 직렬로 연결한 부품 일체형 초소형 전원시스템 마이크로 슈퍼커패시터 제작에 성공했다. 실험 결과 80℃ 고온에서도 잘 작동했다.

이상영 교수는 “IC칩처럼 좁은 기판 위에 단위전지를 고밀도로 집적해 공간에 제약 없이 전지를 활용할 수 있다. 단위전지를 병렬이나 직렬로 자유롭게 연결해 초소형 부품이나 기기에 맞춤형 전원으로 공급 가능하다”고 말했다.

이번 연구는 산업통상자원부 나노융합산업핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 중견연구자(도약)지원사업 지원으로 진행됐다. 연구 성과는 미국과학진흥협회(AAAS) 발행 '사이언스 어드밴시스' 3월 6일자에 실렸다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com