웨어러블 시대 실현의 가장 큰 걸림돌 전원 문제 해결했다

IoT, 웨어러블 기기의 시대가 오고 있지만, 관련 기술은 이에 미치지 못하는 것처럼 보인다. 최근 국내 연구진에 의해 원하는 사물 위에 간단한 프린팅 공정을 이용하여 전지를 제조함으로써, 기존 기술로는 도달하기 힘든 높은 수준의 디자인 다양성이 확보된 신개념 플렉시블 리튬이차전지가 개발됐다. 이 글에서는 관련 연구 내용과 이로 인한 기대효과에 대해 기술한다.

최근 웨어러블 컴퓨터, 플렉시블 디스플레이 및 두루마리 전자 종이 등 미래 웨어러블 기기 및 사물인터넷을 작동시키는 데 필요한 전원으로서, 다양한 모양으로 쉽게 변형할 수 있는 플렉시블(flexible) 전지가 크게 주목받고 있다.

현재 상업화된 리튬이차전지는 시트(sheet) 형태의 양극, 음극 및 분리막을 서로 포개어 모은 후, 정해진 규격의 포장재 케이스에 넣고 액체전해질을 주입하여 제조되는 형태다. 이러한 기존 전지 구조로는 앞서 언급한 다양한 디자인을 요구하는 차세대 기기들의 전원으로 적용되는 데 한계를 보이고 있는 실정이다.

이러한 기존 전지 구조의 한계로 인해, 스마트폰을 포함한 전자 기기들은 전지가 삽입될 공간을 미리 확보하는 형태로 설계돼 있다. 이러한 전지 문제로 인해 전자 기기의 다양한 디자인 구현에 많은 어려움이 있는 실정이다.

이에 울산과학기술대학교 이상영 교수, 김세희, 최근호 연구원(박사과정) 등은 원하는 사물 위에 간단한 프린팅 공정을 이용하여 전지를 제조함으로써, 기존 기술로는 도달하기 힘든 높은 수준의 디자인 다양성이 확보된 신개념 플렉시블 리튬이차전지를 개발했다.

이번에 개발한 신개념 플렉시블 리튬이차전지를 사용하면 원하는 사물 어디에서나 원하는 모양으로 전지를 쉽게 제조할 수 있으며, 이를 통해 기기 내에 별도의 배터리 공간을 미리 확보하지 않은 상태에서도 기기를 작동시킬 수 있다.

연구내용

전극 활물질 입자, 도전재 입자(전자의 흐름을 도와주는 재료)에 기존의 바인더 대신 전해질을 섞어 점도 높은 전극을 만들고(양극 : LFP, 음극 : LTO), 고비점 전해질과 광가교 모노머에 나노 입자를 섞어 ‘조청’과 같은 흐름 특성(점도 ~700 Poise)을 갖는 전해질을 제조했다(그림 1).

그림 1. 프린팅/광가교 공정을 이용해 제조된 사물과 일체화된 전지 모식도

이 물질들을 원하는 사물 위에 직접 음극-전해질-양극 순서로 순차적으로 프린트하되 각각의 프린팅 후 광가교반응을 이용해 1분 이내의 짧은 시간 동안 자외선에 노출시켜 고체화시킴으로써, 우수한 디자인 다양성을 갖는 기기일체형 형상 순응(shape-conformable) 전지를 구현했다.

양극/분리막/음극을 별도로 제조한 후, 이들을 정해진 규격의 포장재 케이스에 넣고 최종적으로 액체전해질을 주액하여 제조하는 기존 전지와는 달리, 기기 일체형 형상 순응 전지는 분리막을 사용하지 않고 양극, 음극 및 전해질이 프린팅이 가능한 점도를 가진다. 

또한 자외선 조사에 의해 쉽게 고체화되는 특성으로 인해, 마치 포장재 표면에 원하는 문양을 프린팅 하듯 다양한 사물 위에서 수 분 이내의 짧은 시간 내에 직접 전지를 제조함으로써, 궁극적으로 사물과 전지가 형태적으로 일체화된 제품을 만들 수 있다(그림 2).

그림 2. ‌프린팅/광가교 공정을 이용해 유리컵 위에 하트 모양으로 제조한 전지

이러한 장점으로 인해 유리컵, 안경 등 원하는 사물 위에서 하트 모양, 글자 모양 등을 갖는 충방전이 가능하다.
또한 액체 전해질을 이용하는 기존 리튬이차전지에서 필수적으로 요구되어 온 분리막을 제거할 수 있고, 전해질을 액체가 아닌 고체형태로 사용하기 때문에 기존 전지보다 현저히 개선된 안전성 (safety)을 기대할 수 있다. 

더불어 지름 5mm 막대에 반복적으로 감았을 경우에도 전지 폭발 없이 성능이 그대로 유지되는 우수한 플렉시블 특성을 확보했다.

기대효과

사물과 형태적으로 일체화된 형상 순응 전지는 사물인터넷 및 웨어러블 시대에 다가가는 데 있어 가장 큰 걸림돌 중의 하나였던 전원 문제를 해결할 수 있는 원천 기술이다. 이를 통해 플렉시블 전지 자체는 물론 전지가 적용된 분야도 함께 발전시킬 수 있는 혁신적 개념의 전지 솔루션이 될 수 있을 것으로 기대된다(그림 3).

그림 3. ‌프린팅/광가교 공정을 이용해 글자 모양으로 제조한 전지 및 플렉시블 특성

또한 간단한 프린팅 및 광가교 공정을 이용하여 전지 제조가 가능해짐에 따라, 고액의 투자비 및 운영비용이 요구되는 기존 전극 제조 공정 및 액체 전해질 주액 공정이 필요 없게 되어, 전지 제조 단가를 크게 낮출 수 있을 것으로 보인다. 더불어 향후 잉크젯 및 3차원 프린팅 기술과의 접목을 통해 기존 전지 기술로는 적용하기 힘들었던 여러 다양한 분야의 전원으로 확대가 가능할 것으로 예상된다. 

임재덕 기자 (eled@hellot.net)