고무줄처럼 늘어나는 배터리 전극 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 고무줄처럼 늘려도 전기적 특성이 유지되는 배터리 전극이 개발됐다. 유연하면서도 신축성 있는, 다양한 모양의 전자기기를 만드는 데 기여할 것으로 보인다.

28일 한국연구재단은 김병수 교수(연세대), 박수진 교수(포항공대), 니콜라스 코토브 교수(미시건대) 공동연구팀이 우수한 전도성을 지닌 유연하고 신축성 있는 전극과 배터리를 개발했다고 발표했다.

연구재단은 이 연구가 자유자재로 형태를 구현할 수 있는 디포머블(deformable) 디바이스의 필수요소인 늘어나는(stretchable) 배터리의 고질적인 전도성 저하 문제를 해결하는 돌파구를 찾게 된 것이라고 소개했다.

신축성 있는 전자기기에 쓰일 수 있는 늘어나는 전극에 대한 연구가 활발하지만 전극이 늘어나는 과정에서 전도층이 파열되면서 전도성이 떨어져 배터리의 용량 저하로 이어지는 것이 문제였다. 이를 극복하기 위해 기판 위에 전도층을 패턴화 시키거나 기판을 주름지게 하는 방법이 시도되었으나 공정이 복잡하고 전도층이 도포된 표면에만 전기가 흐르는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 고무탄성을 갖는 폴리우레탄(PU)과 전도성이 우수한 금 나노입자를 비교적 단순한 공정으로 혼합해 금속처럼 전기가 통하면서 고무줄처럼 늘어나는 전극을 제조했다. 또한 폴리우레탄과 금나노입자의 비율을 달리 한 두 종류의 복합체를 번갈아 쌓아 전극의 표면에서 뿐만 아니라 위에서부터 아래까지 수직 방향으로도 전기가 흐르도록 만들었다.

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

연구팀은 "기존 신축성 전극과 달리 신축성과 전기적 전도 방향성에 제약받지 않기 때문에 다양한 용도에 맞게 정교한 조절이 가능하다ˮ며 "배터리 집전체 뿐 아니라 미래의 신축성 디스플레이 및 전자기기에 응용될 것으로 기대한다ˮ고 의미를 부여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 나노소재기술개발사업, 기초연구사업(중견연구), 글로벌프론티어사업의 지원으로 이루어졌으며 논문은 미국과학진흥회(AAAS)에서 발행하는 저명한 학술지 `사이언스 어드벤시즈(Science Advances)' 7월 26일자에 게재됐다.

◇논문명 : Stretchable batteries with gradient multilayer conductors◇저자 : 구민수 박사(제1저자, 연세대),송우진 박사(제1저자, 포항공대), 김병수 교수(교신저자, 연세대), 박수진 교수(교신저자, 포항공대)