레이저 반응을 이용한 섬유 기판상 PEDOT:PSS 전극 제조 및 슈퍼커패시터 응용 = Fabric-Based PEDOT:PSS Electrode Fabrication via Laser-Induced Patterning and Its Application to Supercapacitors

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 상용 폴리에스터 직물 위에 레이저 유도 상분리(laser-induced phase separation) 공정을 적용하여 PEDOT:PSS 전극을 직접 패터닝하고 슈퍼커패시터를 제 작하는 공정을 제시하였다. 기존 인쇄 기반 공정은 낮은 해상도와 특수 제작된 직물 위주로만 적용해야 하는 제약으로 인해 실제 착용 가능한 웨어러블 소자 적용에 한계 가 있었다. 이를 극복하기 위해 본 연구는 Triton X-100 계면활성제를 첨가한 PEDOT:PSS 용액을 균일하게 도포하고, 공정 조건을 정밀 제어한 연속파 레이저 조사 를 통해 선택적 상분리 및 국소적 접착력 제어를 유도하였다. 이 공정을 통해 전극 영 역은 높은 전도성과 기계적 안정성을 확보하였으며, 비전극 영역은 기계적으로 잔류층 을 제거하여 전극 간 누설 전류를 효과적으로 차단하였다.
이렇게 제작된 슈퍼커패시터는 1 A/g 전류밀도에서 비정전용량이 6.89 F/g에서 14.32 F/g으로 향상되었고, 순환 전압전류법(Cyclic voltammetry, CV) 측정에서도 이상 적인 직사각형 모양의 전기화학적 거동과 대칭적 충·방전(Galvanostatic chargedischarge) 곡선을 유지하였다. 또한 10,000회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 92% 이상을 유지하여 장기 사이클 안정성을 입증하였다. 나아가 상용 우산 직물 표면 에 직접 패터닝하여 제작한 소자는 반복적인 개폐와 굽힘에도 전기화학적 성능 저하 없이 LED를 안정적으로 구동하였으며, 이는 본 공정이 일상용 섬유 기반 웨어러블 에 너지 저장 소자에 적용될 수 있음을 보여준다.
결론적으로 본 연구는 고해상도 레이저 패터닝, 수소결합 제어를 통한 잔류물 제거, 일상 섬유에 직접 일체화할 수 있는 공정을 구현함으로써 PEDOT:PSS 기반 유연 슈퍼 커패시터의 전기화학적 성능과 기계적 신뢰성을 크게 향상시켰다. 제안한 방법은 의류· 가방·텐트 등 다양한 직물 기반 웨어러블 전자 소자 및 자가발전·센서 기술로의 확장이 가능하여, 지속 가능한 에너지 저장 및 차세대 섬유 전자 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we present a fabrication process for directly patterning PEDOT:PSS electrodes on commercially available polyester fabric using a laser-induced phase separation technique, followed by the construction of textile-based supercapacitors. Conventional printing-based methods have been limited by low patterning resolution and the need for specially engineered fabrics, restricting their applicability to truly wearable devices. To overcome these limitations, we uniformly coated a PEDOT:PSS solution containing the surfactant Triton X-100 onto the fabric and induced selective phase separation and localized adhesion control through continuous-wave laser irradiation under precisely optimized processing conditions.
This approach enabled the electrode regions to achieve high conductivity and mechanical robustness, while the non-electrode regions were mechanically cleared of residual conductive polymer, effectively eliminating leakage-current pathways between adjacent electrodes. The resulting supercapacitors exhibited a significant enhancement in electrochemical performance, with the specific capacitance increasing from 6.89 F/g to 14.32 F/g at a current density of 1 A/g. Cyclic voltammetry (CV) measurements showed ideal rectangular-shaped electrochemical profiles, and galvanostatic charge discharge (GCD) curves remained symmetric. The devices also demonstrated
excellent long-term cycling stability, retaining over 92% of their initial capacitance after more than 10,000 charge–discharge cycles. Furthermore, devices directly patterned onto commercial umbrella fabric reliably powered LEDs without performance degradation, even under repeated folding, bending, and - 33 opening/closing motions, highlighting the robustness of the proposed method for everyday textile applications.
Overall, this work significantly improves the electrochemical performance and mechanical reliability of PEDOT:PSS-based flexible supercapacitors through high-resolution laser patterning, hydrogen-bond–controlled residue removal, and seamless integration onto common textiles. The proposed approach offers strong potential for extension to various textile-based wearable electronics, self-powered systems, and sensor technologies used in clothing, bags, and tents, providing an important contribution to sustainable energy storage and next-generation
fiber-electronic device development.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 2
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 1. 직물기반 에너지 저장 장치 3
• 2. PEDOT:PSS의 구조와 전기전도 메커니즘 6
• 3. 레이저 유도 상분리 8
• Ⅲ. 실험 재료 및 방법 10
• 1. 실험 재료 및 기구 10
• 2. PEDOT:PSS 도포 조건 10
• 3. 레이저 공정 조건 최적화 12
• 4. 슈퍼커패시터 제작 방법 14
• 5. 전기화학 분석 방법 16
• Ⅳ. 결과 및 고찰 17
• 1. 현상 공정만을 한 슈퍼커패시터의 분석 17
• 2. 누설전류를 개선한 슈퍼커패시터의 제작 20
• 3. 누설전류를 개선한 슈퍼커패시터의 전기화학적 분석 22
• Ⅴ. 응용 및 확장 연구 25
• 1. 슈퍼커패시터의 2.4 V 직렬 연결 활용 평가 25
• 2. 우산 직물 기반 슈퍼커패시터 활용 평가 27
• Ⅵ. 결론 29
• 참고문헌 30
• 영문초록 33