"글씨가 아니라 배터리였네" 잉크처럼 바르는 '이색' 리튬전지 등장

↑ 손정곤 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 책임연구원팀이 고무처럼 늘어나고 잉크처럼 바를 수 있는 리튬이온배터리를 개발했다. [사진 출처 = KIST]

잉크대신 사용할 수 있는 배터리가 국내에서 개발됐다.
손정곤 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 책임연구원팀은 배터리 주요 소재를 말랑말랑하게 바꿔 고무처럼 늘어나면서 잉크처럼 바를 수 있는 리튬이온배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.
최근 스마트밴드 같은 웨어러블기기나 페이스메이커 같은 신체이식형 전자기기가 인기를 끌면서 몸의 움직임에 따라 형태를 자유롭게 바꿀 수 있는 배터리가 필요해졌다.
배터리는 크게 양극, 음극 분리막, 전해질로 이뤄져 있다. 그런데 두 전극의 기둥 격인 집전체가 딱딱한 알루미늄과 구리로 이뤄져있는 데다 다른 소재 역시 신축성이 부족해 유연한 배터리를 개발하기 어려웠다. 형태를 바꾸다 소재에 균열이 가면 전해질이 새나갈 위험도 있다.
기존에도 유연한 배터리를 만드는 연구가 진행됐지만 대부분 고무처럼 배터리의 본래 목적인 에너지저장에 불필요한 소재를 첨가하는 방식이었다.
연구팀은 소재 자체의 기계적 특성을 바꿔 역할을 그대로 수행하면서 신축성을 높이는 방식을 선택했다.
연구팀은 먼저 리튬이 포함된 활물질을 전극에 들러붙게 하는 소재인 '바인더'의 내부 구조를 바꿔 말랑말랑한 젤처럼 만들었다. 전도성이 뛰어나야하는 집전체는 기체차단능력이 뛰어난 신축성소재인 폴리이소부틸렌(PIB)과 복합시켰다.

↑ [사진 출처 = KIST]

그 결과 이 배터리는 형태를 다양하게 바꿔도 안정적으로 작동했고, 구동전압이 3.3V일 때 제곱센티미터당 2.8밀리와트시(mWh)의 에너지밀도를 나타내 시중에 판매하는 딱딱한 리튬이온배터리와 비슷한 성능을 보였다.
배터리를 원래 길이의 절반 이상 늘렸다 줄이기를 1000번 넘게 반복해도 성능을 유지했다.
또 배터리를 잉크 형태로 만들어 스판 재질의 팔토시에 인쇄한 후 겉을 폴리이소부틸렌으로 덮어 스마트워치에 연결했더니 팔토시를 입거나 벗고 잡아당겨도 스마트워치가 계속 구동됐다.
손정곤 책임연구원은 "높은 에너지밀도 및 기계적 변형에 대한 신축 안정성 이외에도 구조적 자유도와 기존의 리튬 이온 배터리의 소재를 사용할 수 있는 재료적 자유도를 동시에 확보한 신축성 리튬 이온 배터리 기술을 개발했다"라며 "이번에 개발한 신축성을 가지는 에너지 저장 시스템은 웨어러블이나 신체 부착형 소자 개발에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대한다"고 연구의의를 밝혔다.
손 연구원은 또 "향후 이 배터리를 웨어러블기기에 에너지를 공급하는 형태로 적용해볼 생각을 하고 있다"고 말했다.
이번 연구는 국제학술지 'ACS나노' 온라인판 1월 21일자에 실렸다.
본 연구는 과학기술정보통신부 지원, KIST 주요사업, K-lab 프로그램, 한국연구재단 중견연구자지원사업 일환으로 수행됐다.
[김우현 매경닷컴 기자]