서강대 문준혁 교수, 반도체 기술을 이용한 탄소 전극 합성 기술 개발

온칩 에너지 저장소자 (on-chip energy device) 개발 가능성 열어

 

 

 

 

 

서강대학교 화공생명공학과 문준혁 교수팀은 반도체 공정에서 사용되는 리소그래피 기술을 통해 3차원 네트워크 구조를 갖는 탄소 전극 합성 기술을 개발하였다. 이 연구성과는 에너지와 재료 분야의 세계적인 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ (IF 13.120)에 8월 23일 온라인 게재되었다.

 

탄소 전극은 리튬전지나 수퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 저장소자의 필수재료이다. 기존의 탄소 전극은 탄소 입자가 분산된 용액을 코팅하는 화학적인 방법으로 제작이 되었다. 문준혁 교수 연구팀은 이와 같은 용액공정이 아닌 리소그래피 공정을 이용하여 탄소 전극을 제작하였다. 리소그래피 기술은 반도체 소자를 위한 미세패턴을 형성하는 기술이다. 연구팀은 고분자의 미세패턴을 탄화하여 탄소패턴을 제작하였으며, 특히 3차원 리소그래피 공정을 이용하여, 다층의 탄소 패턴을 제작하였다. 이렇게 제작된 탄소 전극은 정밀하게 제어된 미세기공 구조를 포함하고 있다는 특징을 갖는다. 연구팀은 리소그래피 탄소전극을 이용하여 소형 수퍼커패시터 칩을 제작하였으며, 매우 빠른 충방전과 높은 밀도의 에너지 저장 특성을 확인하였다.

 

문준혁 교수는 “반도체 공정을 이용한 에너지 저장소자의 제작은 예를 들어, 반도체 소자와 함께 배터리를 제작할 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같은 온칩 에너지 저장소자(on-chip energy device)는 차세대 웨어러블 디바이스 등에 적용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

 

이번 연구는 한국연구재단의 C1리파이너리사업과 우주핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었다.

 

관련링크

연구실 홈페이지: http://moonlab.sogang.ac.kr

논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518306086

 

관련 신문기사

https://news.joins.com/article/22912723

http://www.etnews.com/20180824000308

http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2018082402109919607024&ref=daum

 

 

▲반도체 공정을 이용한 탄소전극 제작 및 박막 에너지저장소자 구현의 공정도: 3차원 리소그래피 기술을 이용하여 고분자 패턴을 제작하고, 이를 탄화하여 탄소 전극을 제작한다. 탄소전극에 전극배선을 설치하고 전해질을 적용하여 에너지 저장소자를 구현한다.

 

 

▲리소그래피 탄소전극을 탑재한 온칩 에너지소자 (on-chip energy device): (좌) 웨이퍼에 다중으로 제작된 탄소전극/에너지소자 셀. (중) 하나의 셀. (우) 다층 미세패턴의 탄소전극의 전자현미경 사진.

 

 

▲제작된 에너지소자를 이용한 LED구동: (좌) 에너지소자 기판에 집적하여 전압 및 에너지 밀도를 제어하여 LED를 구동한 모습 (우) 에너지소자 단위셀의 충방전 그래프.