충남대학교 화학과 이재범 교수 연구팀이 제주대 김상재 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 유연하면서도 장기간 안정적으로 작동하는 초소형 에너지 저장장치 연구 성과를 발표했다.

이번 연구 성과는 재료공학 분야 국제 저명 학술지인 ‘Composites Part B: Engineering’(IF: 14.0, JCR 상위 0.3%)에 게재됐다. 이번 연구에는 충남대 보카 피카두 반티(Boka Fikadu Banti) 연구원이 주요 저자로 참여했으며, 이재범 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

최근 스마트워치와 웨어러블 센서, 헬스케어 패치 등 스마트 기기의 보급이 확대되면서 다양한 형태로 제작이 가능하고 높은 성능을 갖춘 초소형 에너지 저장장치 개발이 활발히 이뤄지고 있다. 이에 원하는 구조를 자유롭게 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술이 초소형 에너지 저장장치의 차세대 제조 방식으로 주목받고 있지만, 이를 구현하기 위해서는 높은 전기전도도와 장기 안정성을 동시에 갖춘 전도성 잉크 개발이 필수적이었다.

공동연구팀은 차세대 3D 프린팅 공정에 적합한 복합 전도성 잉크를 개발했다. 연구팀은 높은 전기전도도를 갖는 2차원 소재 맥신(MXene)과 전하 저장 능력이 뛰어난 전도성 고분자 폴리아닐린(PANI)을 결합하고, 물 기반의 친환경 조성을 적용해 MXene의 산화와 구조적 불안정성을 효과적으로 완화했다.

이재범 교수 연구팀은 이번 연구에서 양자역학 기반 화학 이론과 컴퓨터 계산을 담당해 PANI와 MXene 사이의 결합 구조와 전자·이온 이동 특성을 원자 수준에서 분석했다. 이를 통해 새롭게 개발된 복합 전도성 잉크가 높은 전기전도도와 우수한 에너지 저장 성능을 나타내는 근본 원리를 규명했으며, 차세대 에너지 저장 소재 설계를 위한 이론적 기반을 제시했다.

연구팀이 개발한 전도성 잉크를 활용해 제작한 초소형 슈퍼커패시터는 5,000회 반복 충·방전 이후에도 초기 성능의 91.3%를 유지하는 뛰어난 내구성을 보였다. 또한 유연한 전자기기와의 높은 적합성을 바탕으로 스마트워치, 헬스케어 패치, 웨어러블 센서, 자가발전 전자기기 등 다양한 차세대 전자소자 분야에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 전도성 잉크를 개발하는 데 그치지 않고 계산화학을 통해 소재 간 상호작용과 전하 이동 메커니즘을 원자 수준에서 규명함으로써, 차세대 에너지 저장 소재의 설계 원리를 제시했다는 점에서 학술적 의미가 크다. 또한 다양한 3D 프린팅 기반 에너지 저장장치와 유연 전자소자 개발에도 활용 가능한 이론적 설계 전략을 제시했다.

이재범 교수는 “이번 연구는 실험과 계산화학을 융합해 전도성 복합 잉크의 성능 발현 원리를 규명한 연구”라며 “앞으로도 계산화학 기반 소재 설계를 통해 차세대 에너지 저장장치와 유연 전자소자 개발에 기여할 수 있는 연구를 지속하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 2023년도 충남대학교 선도학문분야 글로벌 연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 논문 제목: Redox-active MXene-based conductive composite ink for bio-compatible 3D-printed microsupercapacitors and mechanically adaptive electronics

□ 논문 DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113950