미래창조과학부(장관 최양희)는 “국내 연구진이 어떠한 전자기기에나 원하는 모양으로 얇게 입힐 수 있는 리튬이온전지를 개발했다”고 밝혔다. 울산과학기술대학교 이상영 교수, 김세희, 최근호 연구원 등은 별도의 전지공간이 필요 없는 신개념 리튬이차전지를 개발하기 위한 연구를 미래창조과학부가 지원하고 있는 기초연구사업(중견연구자지원)과 교육부의 BK21플러스사업을 통해 수행했으며, 이번 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 나노레터스(Nano Letters)지 8월 12일자에 게재됐다.

전자기기 내 별도의 전지 넣을 공간 불필요
입는 컴퓨터, 휘어지는 디스플레이, 두루마리 전자종이 등 미래 웨어러블 기기 및 사물인터넷 등을 작동시키는데 필요한 전원으로서, 다양한 모양으로 쉽게 변형이 가능한 플렉서블전지가 크게 주목받고 있다. 현재 상업화된 리튬이차전지는 쉬트 형태의 양극, 음극 및 분리막을 서로 포개어 모은 후, 정해진 규격의 포장재 케이스에 넣고 액체전해질을 주입하는 방식으로 제조하고 있다. 하지만, 이러한 기존 전지구조로는 앞서 언급한 다양한 디자인을 요구하는 차세대 기기들의 전원으로 적용되는 데 많은 한계를 보이고 있는 실정이다. 이러한 기존 전지구조 한계로 인해, 스마트폰을 포함한 전자기기들은 전지가 삽입될 공간을 미리 확보하는 형태로 설계되어 있으며, 이러한 문제로 인해 전자기기의 다양한 디자인 구현에 많은 어려움이 있는 실정이었다.

간단한 프리팅 공정으로 제조
이번 연구에서는 원하는 사물 위에 간단한 프린팅공정으로 전지를 직접 제조함으로써, 기존 기술로 구사하기 어려운 수준의 디자인 다양성이 확보된 신개념 플렉서블 리튬이차전지를 개발할 수 있었다. 이러한 특징으로 인해 원하는 사물 어디에서나 원하는 모양으로 전지를 쉽게 제조할 수 있으며, 이를 통해 기기 내에 별도의 배터리 공간을 미리 확보하지 않은 상태에서도 기기를 작동시킬 수 있는 전지 솔루션을 제공할 수 있을 전망이다. 이번 연구에서는 전극 활물질 입자, 도전재 입자에 기존의 바인더 대신 전해질을 섞어 점도 높은 전극을 만들고, 고비점 전해질과 광가교 모노머에 나노 입자를 섞어 ‘조청’과 같은 흐름 특성을 갖는 전해질을 제조했다. 이 물질들을 원하는 사물 위에 직접 음극-전해질-양극 순서로 순차적으로 프린트하되 각각의 프린팅 후 광가교반응을 이용하여 1분 이내의 짧은 시간동안 자외선에 노출시켜 고체화시킴으로써 우수한 디자인 다양성을 갖는 기기일체형 형상 순응전지를 구현했다.
기기 일체형 형상 순응전지는 기존전지와 달리 △분리막을 사용하지 않고, △양극, 음극 및 전해질이 프린팅이 가능한 점도를 가지며 △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. 이러한 장점으로 인해 유리컵, 안경 등 원하는 사물위에서 하트 모양, 글자 모양 등을 갖는 충방전이 가능한 전지를 세계 최초로 개발한 점이 큰 기술적 특징이다. 또한, 액체 전해질을 이용하는 기존 리튬이차전지에서 필수적으로 요구되어 온 분리막을 없앴을 수 있고, 전해질을 액체가 아닌 고체형태로 사용하기 때문에 기존 전지보다 현저히 개선된 안전성을 기대할 수 있다. 이와 함께 지름 5mm막대에 반복적 으로 감았을 경우에도 전지 폭발 없이 성능이 그대로 유지되는 우수한 플렉서블 특성을 확보했다.

착용형 기기 및 사물인터넷 시대 앞당길 것
프린팅 공정으로 유리컵, 안경 등 원하는 사물 어디에나 글자, 하트 모양 등 다양한 형태의 전지를 기기별 특성에 맞게 빠르고 저렴하게 제작할 수 있는 ‘기기맞춤형 얇고 휘어지는 리튬 전지’ 원천기술을 확보했다는데 의미를 둘 수 있다.
기존 전지에서 필수적으로 요구되는 전해액 주입 공정 및 분리막이 필요 없으며, 지름 5mm막대에 반복적으로 감았을 때도 폭발 없이 성능이 유지될 만큼 유연한 특성의 우수한 성능을 구현할 수 있다. 또한, 현재의 노트북, 휴대폰에서 요구되는 별도의 전지 공간이 필요 없게 되어 착용형 기기 등에 쉽게 접목될 수 있으며 사물인터넷 시대를 앞당길 것으로 기대되고 있다. 한편, 이번 연구에 참여한 이상영 교수는 “착용형기기 및 사물인터넷 시대를 여는 데 있어 가장 큰 걸림돌 중의 하나였던 전원 공간 문제를 해결할 수 있게 됐으며, 이를 통해 차세대 전자 기기들을 다양한 디자인으로 구현하는 데에도 중요한 기여를 할 수 있게 됐다”고 밝혔다.