웨어러블 자가 충전 전력 장치를 위한 MXene/PEDOT:PSS 기반 Direct-Ink-Writing: 마이크로 슈퍼캐패시터와 마찰전기 나노발전기의 통합 = Direct-Ink-Writing of MXene/PEDOT:PSS for Wearable Self-Charging Power Devices: Integrated Micro-Supercapacitors and Triboelectric Nanogenerators

국문 초록 (Abstract)

소형화된 웨어러블 전자기기의 발전과 함께, 자가 충전 에너지 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 기존 소형 에너지 저장 장치는 한정된 용량을 가지기 때문에, 주변의 기계적 에너지를 효율적으로 전기에너지로 변환하고 즉시 저장할 수 있는 통합형 에너지 하베스팅·저장 기술이 필수적이다. 본 연구에서는 이러한 요구를 충족하기 위해 Ti₃C₂Tₓ MXene과 PEDOT:PSS 기반의 고전도성 복합 잉크를 설계하고, Direct Ink Writing(DIW) 3D 프린팅 기술을 활용하여 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)와 마이크로 슈퍼캐패시터(micro-supercapacitor, MSC)가 결합된 자가충전형 에너지 시스템을 개발하였다. MXene/PEDOT:PSS 복합체는 전단박화(shear thinning) 특성이 우수하여 미세 패턴 프린팅에 적합하며, PEDOT:PSS의 도입은 MXene의 산화 안정성을 크게 향상시켜 20일 동안 면저항 증가율을 0.4% 이하로 유지하였다. 또한 동결건조 공정을 통해 형성된 다공성 구조는 이온 확산성과 전극 유연성을 증진하였다. DIW 기반으로 제작된 MSC는 최대 575 mF cm⁻²의 높은 면적 정전용량, 우수한 속도 특성, 그리고 6000 cycles 후 95% 이상의 정전용량 유지율을 나타내며 뛰어난 전기화학적 및 기계적 내구성을 보였다. PDMS 기반의 TENG은 손가락 tapping 및 보행과 같은 저주파 인체 움직임으로부터 높은 개방전압과 안정적인 전류밀도를 생성하였으며, 정류기를 통해 출력이 직류로 변환되어 4-series MSC를 지속적으로 충전할 수 있었다. 반복적인 tapping 동작만으로도 MSC의 전압이 점진적으로 상승하는 자가충전 거동이 확인되었다. 본 연구에서 제안된 MXene/PEDOT:PSS 기반 DIW 프린팅 기술과 TENG–MSC 통합 플랫폼은 높은 유연성, 기계적 안정성, 우수한 전기화학적 성능 그리고 자가충전 기능을 충족한다. 이러한 결과는 본 시스템이 차세대 웨어러블 전자기기, 스마트 섬유, 건강 모니터링 센서 등 에너지 자립이 필요한 다양한 응용 분야에서 높은 잠재력을 지님을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 i
• List of Schemes iii
• List of Figures iv
• Types of self-powered system vi
• Types of energy storage system vi
• Types of supercapacitor vii
• Wearable Applications of Self-Charging system vii
• 초록 viii
• 1. 서론 1
• 2. 실험 8
• 3. 결과 및 고찰 14
• 4. 결론 36
• 참고문헌 37