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보론 침투 그래핀을 이용한 착용가....

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개인용 착용 가능 전자소자로 개발될 수 있으며 라이스 대학 과학자들에 의해 디자인된 마이크로 수퍼캐패시터는 점점 진보하고 있다. 레이저 유도 그래핀 소자는 보론이 부분적으로 혼합되었을 때 매우 큰 장점을 지닌다.

화학자 제임스 투어 박사의 라이스 연구실은 패턴들을 일반적인 폴리머들에 가열하여 얇고 플랙서블한 수퍼캐패시터를 만들기 위해 상용 레이저를 이용하고 있다. 이 레이저는 모든 것을 태워 버리지만 서로 연결된 그래핀 조각들의 거품형 매트릭스를 이루는 상부에 20 마이크로 깊이로 탄소가 남는다.

먼저 보론 산으로 폴리머를 침투시켜 연구원들은 에너지 밀도를 매우 향상시키지만 전하를 저장하는 수퍼캐패시터의 성능을 네 배 증가시켰다.

또한 연구원들은 이 단순한 제조 공정은 촉매, 전계 방출 트랜지스터, 태양 전지와 리튬 이온 배터리의 소자들을 만드는데 적합할 것으로 기대하고 있다. 이 연구의 자세한 내용은 미화학회 저널 ACS 나노에서 볼 수 있다.

캐패시터들은 빠르게 충전하고 카메라 플래시와 같이 필요할 때 빠르게 그들의 에너지를 방출한다. 수퍼캐패시터는 패키지로 배터리의 높은 에너지 용량을 부가하고 전기차와 다른 과중한 업무 응용들에 잠재성을 가지고 있다. 그들을 작고, 플랙서블하며 쉽게 제조된 패키지로 축소할 수 있는 가능성은 연구원들에 따르면 더 많은 응용들에 알맞은 특성이다.

이전 연구에서, 연구팀은 많은 폴리머들에 시도했으며 이 공정에 알맞는 폴리머는 상용 폴리이미드라는 것을 발견했다. 새로운 연구에서, 연구실은 폴리아믹 산으로 보론 산을 분해하고 이를 이후 레이저에 노출되는 폴리이미드 시트로 농축했다.

두 단계 공정은 네 배의 전하를 저장하는 성능과 이전의 보론이 없는 소자에 비해 5배에서 10배의 에너지 밀도를 가지는 마이크로 수퍼캐패시터를 제작했다. 새로운 소자들은 용량의 90 퍼센트 남기는 12,000 충전-방전 주기 이상에서 매우 안정하다는 것을 증명했다. 스트레스 시험들에서, 이 소자들은 성능의 손실없이 8,000 휨 주기를 견디었다. 

이 기술은 마이크로 수퍼캐패시터의 산업 크기 롤-투-롤 제작에 적합하다. 연구원들이 수행했던 것은 큰 조정과 향상이 레이저에 노출되기 이전 폴리머 필름 내부에 다른 원소들을 첨가하고 다른 화학들을 수행하여 만들어질 수 있다는 것을 보인 것이다.

일단 레이저에 노출되었을 때 다른 원소들은 수퍼캐패시터의 성능을 매우 증가시키는 새로운 화학들을 수행한다. 이는 산업 응용들을 위해 이 소자들이 훨씬 더 적합하게 만드는 단계이다.

그림 1: 라이스 대학 과학자들은 레이저를 이용하여 서로 맞물린 핑거들을 가진 수퍼캐패시터를 만들었고 폴리이미드의 보론 침투 시트로 이 패턴을 제작했다. 이 소자는 플랙서블, 착용가능 전자소자들을 위해 적당할 것이다.

그림 2: 라이스 대학 과학자들은 레이저를 이용하여 서로 맞물린 핑거들로 이 수퍼캐패시터를 만들고 보론 침투 폴리이미드 시트로 패턴을 작성했다. 이 소자는 플랙서블, 착용가능 전자소자들에 적합할 것이다.

그림 3: 전자 현미경 이미지는 그래핀 조각들의 격자를 만들기 위해 보론으로 시험되고 레이저로 가열된 폴리이미드 거품형 표면이 보인다. 이 물질은 전자소자들을 위한 매우 효율적이며 플랙서블한 에너지 저장 소자로 사용될 수 있다.

참고 자료: "Flexible Boron-Doped Laser Induced Graphene Microsupercapacitors" ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.5b00436

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