국내 주도 연구진, 고무줄처럼 늘어나는 배터리 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내외 공동 연구진이 자유자재로 형태를 구현할 수 있는 디포머블(deformable) 디바이스의 필수요소인 ‘늘어나는(stretchable) 배터리’의 고질적인 전도성 저하 문제의 돌파구를 찾았다.

적층된 밀도구배 탄성전극 제조. 폴리우레탄과 금나노입자를 다양한 조성비로 복합체를 형성시킨 뒤, 전도성 층과 신축성 층을 번갈아가면서 진공 탈수 방식으로 계층 수 조절을 하며 적층시킨 뒤 밀도 구배된 탄성전극을 제조함. 그래픽=연세대 제공.

김병수 연세대 교수, 박수진 포항공대 교수, 니콜라스 코토브(Nicholas Kotov) 미국 미시간대 교수 연구팀이 우수한 전도성을 지닌 유연하고 신축성 있는 전극과 배터리를 개발했다고 한국연구재단은 28일 밝혔다.

신축성 있는 전자기기에 쓰일 수 있는 늘어나는 전극에 대한 연구가 활발하지만 지금까지는 전극이 늘어나는 과정에서 전도층이 파열되면서 전도성이 떨어져 배터리의 용량 저하로 이어지는 것이 문제로 지적돼 왔다.

이를 극복하기 위해 기판 위에 전도층을 패턴화 시키거나 기판을 주름지게 하는 방법이 시도됐으나 공정이 복잡하고 도포된 표면에만 전기가 흐르는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 고무탄성을 갖는 폴리우레탄(PU)과 전도성이 우수한 금 나노입자를 간단하게 전기적 인력을 통해 혼합하는 방식으로 금속처럼 전기가 통하면서 고무줄처럼 늘어나는 전극을 제조했다.

공기청정기 필터에 먼지가 달라 붙거나 머리카락이 풍선에 달라붙는 현상 등 일상에서 목격할 수 있는 전기적 인력을 이용한 비교적 단순한 공정으로 신축성은 유지하면서 저항 값을 금속 수준으로 내린 것이다.

또 폴리우레탄과 금나노입자의 비율이 다른 두 종류의 복합체를 번갈아 쌓아 전극의 표면에서 뿐만 아니라 위에서부터 아래까지 수직 방향으로도 전기가 흐르도록 만들었다.

나아가 개발된 신축성 전극을 리튬 이차전지에 적용해 배터리 길이가 30% 이상 늘어나는 물리적 변형에도 우수한 안정성을 나타내는 것을 확인했다.

김병수 교수는 “기존 신축성 전극과 달리 신축성과 전기적 전도 방향성에 제약받지 않기 때문에 다양한 용도에 맞게 정교한 조절이 가능하다”고 연구 의의를 설명했다. 박수진 교수는 “배터리 집전체 뿐 아니라 미래의 신축성 디스플레이 및 전자기기에 응용될 것으로 기대한다”고 평가했다.

이 연구에는 구민수 박사(연세대), 송우진 박사(포항공대)가 공동 제1저자로 참여해 연구를 주도했다. 김성엽 교수(UNIST), 신태주 연구지원본부장(UNIST)도 연구에 참여했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업, 기초연구사업(중견연구), 글로벌프론티어사업의 지원을 통해 도출된 이 성과는 미국과학진흥회(AAAS)에서 발행하는 저명 학술지 ‘사이언스 어드벤시즈(Science Advances)’ 7월 26일자에 게재됐다.