[이뉴스투데이 전한울 기자] 한국화학연구원-경희대 공동 연구진은 ▲미래 IoT ▲센서 ▲웨어러블(착용형) 기기 소자 등에 필요한 3D 프린팅용 전지 소재를 26일 개발했다. ▲미래 웨어러블(착용형) 기기 ▲센서 ▲소형 로봇 ▲인체삽입형 소자 등은 크기가 작고 다양한 형태를 지니고 있어, 여기에 들어가는 이차전지는 기존 전지의 ‘정형화’된 형태가 아닌 ‘정교한’ 형태가 필요하다. 이러한 ‘정교한’ 형태로의 제작을 위해, 3D 프린팅을 이용한 전지 제작 기술이 전세계적으로 주목받고 있다.

3D 프린팅용 전지로는 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지가 주목받고 있는데, 공동 연구팀은 해당 전지에 탑재되는 집전체 소재를 개발했다.

전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지는 구조가 단순하고 수명이 길어 ▲적은 전력이 필요한 센서 ▲사물인터넷 ▲웨어러블 소자 등의 첨단 기기 구동을 위한 에너지원으로 적합하다. 이는 현재 리튬이온전지의 보조 전지 격으로써, ▲일부 자동차 ▲스마트폰 ▲카메라 등에 쓰이고 있다.

전지는 ▲집전체 ▲전극 ▲전해질로 구성돼 있으며, 3D 프린팅으로 제작하기 위해선 이 세 구성 성분 모두 3D 프린팅이 가능한 잉크 소재여야 한다. 한국화학연구원 최영민·김태호 박사팀과 경희대학교 정선호 교수팀은 이 세 부분 중 그동안 기술 개발이 더뎠던 집전체 소재를 개발했다. 집전체는 전자를 뽑아내 이동할 수 있도록 연결해주는 소재로, 이차전지의 핵심 부품이다.

전극과 전해질 소재는 지금까지 3D 프린팅용으로 전세계적인 연구가 활발히 진행돼 왔다. 반면 집전체에 대해선 괄목할 만한 3D 프린팅용 소재가 개발되지 않아, 3D 프린팅 공정 대신 비싼 금(Au)을 표면에 증착(evaporation)하는 공정이나 빛으로 회로를 만드는 복잡한 패턴화 공정(리소그래피, lithography)만 적용할 수 있었다.

집전체의 경우, 3D 프린팅용 소재로 탄소나노튜브나 은나노섬유로 이뤄진 소재가 개발 됐었으나 성능에 한계가 있었다. 전지 집전체 성능 평가에 중요한 기준은 전기전도성이 높은지, 고전압에서도 소재가 안정적으로 유지되는지의 여부다. 이 두 가지 요소를 높은 수준으로 충족시키는 기술은 전 세계적으로 드물다.

연구팀은 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈(Ni) 입자, 소량의 고분자 소재(PVP)등을 혼합해 전기전도성과 고전압 안정성이 높은 3D 프린팅용 금속 잉크 소재를 개발했다. 잉크 소재는 프린팅된 후, 극히 짧은 순간(1/1000초) 빛을 쬐어주면 잉크 속 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈(Ni) 입자 들이 서로 연결되며 전기전도성이 극대화된다.

이와 동시에 고분자 소재의 순간적인 광분해 현상과 함께, 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원반응이 일어나 표면에 전도성 보호층이 생긴다. 이는 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지하게끔 한다. 개발 소재가 적용된 마이크로 슈퍼커패시터 소자는 높은 에너지밀도(79 mJ cm-2 )를 구현했다. 이는 3D 프린팅 공정이 아닌, 기존 증착 공정이나 리소그래피 공정의 소자 특성과 비교했을 때 비슷한 수준이다. 에너지밀도가 높을수록 전지 충전 후 사용할 수 있는 지속 기간이 길어진다.

본 소재는 니켈 입자를 주 재료로 활용해 가격이 매우 저렴하다. 또한 잉크 내 입자 배율을 다르게 해 잉크 점성을 적절히 조절할 수 있어, 어떤 모양의 전지도 정교하게 프린팅해 만들 수 있다.

정선호 경희대 교수는 “이번 연구의 가치는 인쇄 공정을 이용해 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 소감을 전했다. 또한 한국화학연구원 최영민·김태호 박사는 “슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술”이라고 자평했다.

▲글로벌연구실사업 ▲나노소재원천기술개발사업 ▲중견연구자지원사업의 지원으로 이뤄진 이번 연구결과는 ‘Advanced Functional Materials(IF: 16.836)’의 2020년 6월호에 표지논문으로 게재됐다.

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