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Research Stories

전기유체역학 제트 프린팅 기반
칩 에너지 저장 장치의 최첨단 기술을 위한
본질적으로 안정적인 맥신 잉크 개발

전기유체역학 제트 프린팅 기반 온칩 에너지 저장 장치의
고해상도 프린팅을 위한 산화 안정적인 맥신(MXene) 잉크 개발

기계공학부 변도영 교수 · Mr. Shahzaib Ali

성균관대학교 변도영 교수 연구팀은 ENJET, 경상국립대학교, Khalifa University (Research and Innovation Center for Graphene and 2D Materials, RIC2D) 연구진과의 공동연구를 통해 **EHD(전기유체역학) 제트 프린팅용 ‘산화 안정 MXene 잉크’**를 개발하고 이를 기반으로 **초고정전용량 마이크로 슈퍼커패시터(MSC)**를 구현했다.

연구진은 논문 *“Micro-supercapacitors of exceptionally high capacitance fabricated using intrinsically stable MXene inks via electrohydrodynamic jet printing”*에서, 기존 MXene 잉크가 갖는 산화 취약성 및 유기용매 내 낮은 분산성으로 인해 “고점도 유기 기반 잉크” 구현이 어렵다는 한계를 짚고, 이를 해결하는 실질적인 잉크–공정 해법을 제시하였다.

현대 마이크로 전자기기에서는 공간 제약이 큰 칩 상(on-chip) 환경에서 고성능 에너지 저장을 구현하기 위해 **미세 패터닝(고해상도)과 높은 체적 성능(Volumetric performance)**을 동시에 만족하는 공정이 중요하다. 특히 EHD 제트 프린팅은 상온에서 고해상도 패터닝이 가능해 유연 기판 적용에도 유리하지만, 이를 위해서는 고점도이면서도 안정적인 기능성 잉크가 필수이다.

본 연구팀은 **ADOPA(alkylated 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine)로 기능화한 MXene(ADS-MXene)**에 **CMC(carboxymethyl cellulose)**를 하이브리드 유기용매 기반으로 결합해 ADS-MXene(CMC) 잉크를 설계했다. 해당 잉크는 전기전도도 ~3400 S·cm⁻¹, 점도 ~4×10³ cP, 산화 저항성 및 3개월 수준의 장기 분산 안정성을 동시에 확보했다고 보고했다.

또한 잉크 조성에 맞춰 EHD 제트 프린팅 조건을 최적화하여, 선폭/간격 80 μm의 인-플레인 인터디지티드 전극을 구현했고, 면적당 6 cells·cm⁻²의 높은 셀 집적도(areal cell density)를 달성했다. (해당 공정은 ENJET 시스템을 활용해 구현하였다.) 그 결과 제작된 고집적(HD) MSC는 면적 정전용량 402.7 mF·cm⁻², 체적 정전용량 2013 F·cm⁻³를 기록했으며, 저자들은 이를 **“MXene 프린팅 기반 MSC 중 최고 수준의 체적 정전용량”**으로 제시했다. 내구성 평가에서도 10,000회 사이클 이후 정전용량 유지율 95% 이상, **쿨롱 효율 96.5%**를 나타내, 고성능과 신뢰성을 동시에 입증했다.

특히 본 연구는 성능 수치 제시에 그치지 않고, **DFT 계산을 통해 ADOPA 리간드와 MXene 표면 간 전하 이동(Charge transfer)**을 확인함으로써 안정성 향상의 근거를 제시했다. 또한 유리/Si 기판뿐 아니라 PET·PI 유연 기판에서도 안정적 고해상도 패터닝을 시연하고, 재현 가능한 잉크–공정 윈도우(ink process operating window) 를 제시하여 향후 MXene 잉크의 EHD 표준화 및 ‘MXetronics’확장에 기여할 수 있음을 강조했다.

본 연구는 교육부 한국연구재단, 산업통상자원부 기술혁신사업, 한국산업기술진흥원의 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구 성과는 Impact Factor 26.8, JCR 상위 약 2% 분야의 국제 학술지 Materials Science & Engineering R 최신 호에 게재되었다.