“30% 이상 늘어나도 끄떡없는 배터리 개발됐다”

[테크월드=김경한 기자] 그동안 플렉서블 전자기기에 대한 연구가 활발했지만, 함께 장착하는 전지의 전극이 늘어나는 과정에서 전도층이 파열됨으로 인해 실용화에 한계가 있어 왔다. 하지만 국내 연구진이 고무줄처럼 늘어나는 배터리를 개발하면서 향후 신축성 있는 디스플레이와 인공장기 등의 전자기기에 적용할 수 있는 길이 열렸다.

김병수 교수(연세대), 박수진 교수(포항공대), 니콜라스 코토브 교수(Nicholas Kotov, University of Michigan) 연구팀이 우수한 전도성을 지닌 유연하고 신축성 있는 전극과 배터리를 개발했다. 

유연한 전지를 만드는데 있어서 가장 큰 문제는 전극이 늘어나는 과정에서 전도층이 파열되면서 전도성이 떨어져 배터리의 용량 저하로 이어지는 것이었다. 이를 극복하기 위해 기판 위에 전도층을 패턴화하거나 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 적용한 것이다.

또한 폴리우레탄과 금나노입자의 비율이 다른 두 종류의 복합체를 번갈아 쌓아 전극의 표면뿐만 아니라 위에서부터 아래까지 수직 방향으로도 전기가 흐르도록 만들었다. 개발된 신축성 전극을 리튬 이차전지에 적용한 결과, 배터리 길이가 30% 이상 늘어나는 물리적 변형에도 우수한 안정성을 나타내는 것을 확인했다.

김병수 교수는 “기존 신축성 전극과 달리 신축성과 전기적 전도 방향성에 제약을 받지 않기 때문에, 다양한 용도에 맞게 정교한 조절이 가능하다”고 의의를 설명했다.