늘리고, 비틀고, 접고, 주름지는 차세대 액체 금속 마이크로 슈퍼커패시터

18년 2024월 XNUMX일(나노 워크 스포트라이트) 웨어러블 기술의 출현으로 인해 소프트 전자 장치의 유연성과 신축성에 보조를 맞출 수 있는 에너지 저장 솔루션이 절실히 필요해졌습니다. 기존의 견고한 배터리와 슈퍼 커패시터 인체에 적합하고 일상적인 사용의 부담을 견뎌야 하는 웨어러블에 완벽하게 통합되기에는 부적합한 것으로 입증되었습니다. 에너지 저장과 장치 유연성 간의 이러한 불일치로 인해 건강 모니터링, 스마트 섬유 및 생체의학 임플란트와 같은 분야의 발전이 방해를 받았습니다. 마이크로슈퍼커패시터(MSC)는 높은 전력 밀도, 빠른 충전 및 긴 사이클 수명 덕분에 변형 가능한 에너지 저장 장치의 유망한 후보로 부상했습니다. 그러나 반복적인 스트레칭과 비틀림을 견딜 수 있는 재료를 사용하여 고성능 MSC에 필요한 복잡한 깍지형 전극 패턴을 만드는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다. 연구자들은 독창적인 패터닝과 탄성 기판을 통해 유연성을 향상시키는 데 큰 진전을 이루었지만, 많은 접근 방식은 복잡한 제조를 필요로 하며 여전히 극심한 변형으로 인해 실패합니다. 현재 한국생산기술연구원 양찬우 박사와 교수가 공동연구를 진행하고 있다. 김진곤 포항과학기술대학교의 연구진이 잠재적인 해결책을 제시했습니다. 에 발표된 논문에서 npj 플렉서블 일렉트로닉스 (“그래핀/액체 금속의 레이저 절제 패터닝을 통해 제작된 변형 가능한 마이크로 슈퍼커패시터”), 팀은 변형 가능성이 높은 제작에 대해 자세히 설명합니다. 그래 핀 기반 MSC를 사용하여 액체 금속 탄성 폴리머 기판의 집전체. 변형 가능한 마이크로 슈퍼커패시터 제조 공정

a 소프트 전자 장치와 변형 가능한 에너지 저장 구성 요소로 구성된 통합 시스템의 그림입니다. b EGaIn 기반 MSC의 제조 공정. c SEBS, EGaIn 및 그래핀의 UV-vis 스펙트럼. 레이저 절제된 FE-SEM 이미지 d 그래핀/EGaIn 및 e EGaIn(스케일 바 = 200μm). 사진 f 연구소 로고, g 변형된 로고 및 h MSC 회로에 연결된 LED(스케일 바 = 1cm). (이미지: © npj 유연한 전자) 핵심 혁신은 액체 금속 합금인 공융 갈륨-인듐(EGaIn)을 전류 집전체로 사용하는 것입니다. 변형 가능한 MSC를 구현하려면 변형 가능한 집전체가 필요하다고 Kim은 Nanowerk에 설명합니다. “그러나 일반적으로 사용되는 집전체는 금(Au)과 같은 부서지기 쉬운 재료로 만들어졌습니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 본질적으로 액체의 특성과 금속 전도성을 보유한 '액체 금속'을 선택했습니다.” 제조 공정은 신축성 있는 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 기판에 EGaIn의 얇은 필름을 코팅하는 것으로 시작하고, 이어서 활성 전극 재료 역할을 하는 그래핀 층을 증착합니다. 연구진은 레이저를 사용하여 그래핀과 EGaIn을 선택적으로 제거하여 서로 맞물린 패턴을 얻습니다. 이는 투명한 SEBS에 비해 이들 물질의 강력한 레이저 흡수를 이용합니다. 레이저 강도를 주의 깊게 조정함으로써 기본 탄성 기판을 손상시키지 않고 정밀한 패터닝을 달성합니다. 재료의 선택은 이 접근 방식의 성공에 매우 중요합니다. “우리는 레이저 파장의 탁월한 흡수력을 활용하여 액체 금속의 패터닝을 성공적으로 달성했습니다.”라고 Kim은 말합니다. 또한 “게다가 레이저의 세기를 조절해 레이저에 의한 열로 인한 기판 손상을 방지한 반면, 그래핀과 액체 금속은 모두 레이저에 의해 제거됐다”고 말했다. 레이저 파장을 흡수하지 않는 SEBS 기판은 절제 중에 발생하는 열을 견딜 수 있어 전극 간격이 90μm만큼 작은 고해상도 패턴을 생성할 수 있습니다. 결과 MSC는 인상적인 성능을 보여 최대 1336 µF cm의 면적 정전 용량을 달성합니다.-2 좋은 속도 성능을 유지하면서. 중요한 것은 이 장치가 1000번의 변형 주기 후에도 접힘, 주름, 비틀림, 늘어짐을 포함한 다양한 기계적 변형 하에서 심각한 성능 저하를 보이지 않는다는 것입니다. “액체 금속 집전체를 사용하는 MSC는 다양한 기계적 변형과 반복적인 변형 후에도 에너지 저장 성능에 변화가 없음을 보여주었습니다.”라고 Kim은 강조하며 이러한 장치가 착용 가능하고 유연한 전자 장치에 전력을 공급할 수 있는 잠재력을 강조합니다. MSC의 실질적인 잠재력을 입증하기 위해 연구원들은 발광 다이오드와 장치 배열을 통합하여 신축성 있는 조명 시스템을 만들었습니다. 이 시스템은 심한 굽힘, 비틀림, 늘어짐에도 안정적인 작동을 유지하여 변형 가능한 전자 장치에 안정적으로 전력을 공급하는 MSC의 능력을 보여주었습니다. 김씨와 양씨는 미래를 내다보면서 앞으로 더 개선될 여지와 미래 응용 분야에 대한 흥미진진한 가능성을 보고 있습니다. MSC 분야에서는 높은 에너지 밀도와 높은 변형성을 동시에 달성하는 것이 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. “기계적 변형 시 집전체와 활물질 사이의 계면이 잘 유지되어야 할 뿐만 아니라 활물질 자체의 에너지 밀도도 높아져야 하기 때문입니다. 그러므로 이 문제는 해결되어야 한다.” 이러한 MSC에 사용되는 겔 전해질의 기계적 내구성을 향상시키기 위해서는 추가 작업이 필요하지만 레이저 패턴 액체 금속 전극의 사용은 진정한 변형 가능한 에너지 저장 솔루션 개발에 있어 중요한 진전을 의미합니다. 웨어러블 기술이 계속 발전함에 따라 이와 같은 혁신은 우리 장치가 역동적인 라이프스타일의 요구에 적응할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 우리의 건강을 모니터링하는 스마트 의류부터 우리 몸에 맞게 구부러지는 생체의학 임플란트에 이르기까지 웨어러블 전자 장치의 미래는 작고 강력할 뿐만 아니라 우리만큼 유연한 에너지 저장 시스템에 의존하게 될 것입니다. 액체 금속 전도체, 탄성 기판 및 높은 전기화학적 성능의 독특한 조합을 통해 그래핀 기반 MSC는 웨어러블 에너지 저장 분야에서 가능한 범위를 넓혀 미래에 대한 흥미로운 엿보기를 제공합니다. 이 분야의 연구가 진행됨에 따라 우리는 결코 우리를 방해하지 않는 변형 가능한 에너지 저장 솔루션을 통해 강화되어 우리 삶과 원활하게 통합되는 차세대 웨어러블 장치를 기대할 수 있습니다.

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마이클
버거