We are focusing on a substantial electrochemical enhancement of the supercapacitor (SC) electrodes, by an addition of III-V semiconductor-based indium phosphide quantum dots (InP QDs) together with the conductive additives including graphene oxide (GO) or polypyrrole (PPy) onto a 3D-printed thermoplastic polyurethane (TPU) material. Comparative studies of mechanical and electrochemical properties showed that the TPU-GO-QD composites exhibited superior performance, due to the rich surface active groups of GO for improving interfacial secondary bonds and fast charge transfer. The elongation at break of this composition significantly exceeded 300%, while tensile strength and Young’s modulus showed fairly high values. The sample also demonstrated the highest areal capacitance of 54.09 mF/cm² with good cycling stability. The capacitance of the TPU-QD composite was highly dependent on the InP QD content. The maximum areal capacitance achieved could be as high as or 147.04 mF/cm² along with excellent cycling stability and maintaining 91% of its initial capacitance after 6000 cycles at 25 wt% loading. The findings of this study suggest that the optimal combination of the conductive additive and InP QDs is a key factor determining the performance of supercapacitor electrodes.

본 연구는 3D 프린팅된 열가소성 폴리우레탄(TPU) 기판에 III-V족 반도체 기반 인듐 포스파이드 양자점(indium phosphide quantum dots, InP QDs)과 전도성 첨가제인 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO) 또는 폴리피롤(polypyrrole, PPy)을 복합화하여 슈퍼커패시터(SC) 전극으로서의 전기화학적 성능을 향상시키고자 하였다. 복합체의 기계적 및 전기화학적 특성을 비교한 결과, GO의 풍부한 표면 작용기가 제공하는 계면 결합력 및 전하 이동성 증진 효과로 인해 TPU-GO-QD 복합체가 가장 우수한 특성을 나타냈다. 해당 복합체는 300% 이상의 인장률과 함께 상대적으로 높은 인장강도 및 영률을 보였으며, 정전용량 측정 결과 54.09 mF/cm²로 가장 높은 값을 나타내었다. 또한 우수한 사이클 안정성도 확인되었다. 한편, TPU-QD 복합체에서는 InP QD의 함량 증가에 따라 정전용량이 향상되는 경향을 보였으며, 특히 25 wt% 첨가 시 정전용량이 147.04 mF/cm²까지 증가하고 사이클릭 안정성(충-방전 6000회 이후 잔존 정전용량률: 91%)도 우수하였다. 이러한 결과는 전도성 첨가제와 InP QD의 최적 조합이 슈퍼커패시터 전극의 성능을 결정짓는 핵심 인자임을 시사한다.

Keywords: 3D printer, thermoplastic polyurethane, polypyrrole, graphene oxide, indium phosphide quantum dot, supercapacitor.

이 논문은 2025년 공주대학교 학술연구지원사업의 연구지원에 의하여 연구되었습니다. 또한 한국연구재단(NRF)을 통해 한국정부(과학기술정보통신부, MSIT)가 지원하는 기초연구사업의 지원을 받았습니다(과제번호: RS-2023-00221237). 아울러 본 연구는 한국정부(과학기술정보통신부, MSIT)가 지원하는 한국연구재단(NRF) 연구과제(과제번호: RS-2024-00335799)의 지원을 받아 수행되었습니다.

저자들은 이해상충이 없음을 선언합니다.