* 이 보도자료는 미래부 주관으로 배포됐음을 알려드립니다.

* 리튬이온전지: 충전 및 재사용이 가능한 이차 전지의 일종이며, 휴대폰 배터리로 널리 사용

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

○ 입는 컴퓨터, 휘어지는 디스플레이, 두루마리 전자 종이 등 미래 웨어러블 기기 및 사물인터넷 등을 작동시키는 데 필요한 전원으로서, 다양한 모양으로 변형이 쉽게 가능한 플렉서블(flexible) 전지가 크게 주목받고 있다. 현재 상업화된 리튬이차전지는 쉬트(sheet) 형태의 양극, 음극 및 분리막을 서로 포개어 모은 후, 정해진 규격의 포장재 케이스에 넣고 액체전해질을 주입하여 제조되는 형태로, 이러한 기존 전지 구조로는 앞서 언급한 다양한 디자인을 요구하는 차세대 기기들의 전원으로 적용되는 데 많은 한계를 보이고 있는 실정이다.

○ 이러한 기존 전지 구조 한계로 인해, 스마트폰을 포함한 전자 기기들은 전지가 삽입될 공간을 미리 확보하는 형태로 설계되어 있으며, 이러한 전지 문제로 인해 전자 기기의 다양한 디자인 구현에 많은 어려움이 있는 실정이었다.

○ 본 연구에서는, 원하는 사물 위에 간단한 프린팅 공정을 이용하여 전지를 직접 제조함으로써, 기존 기술로는 도달하기 힘든 높은 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 있었다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서는 전극 활물질 입자, 도전재 입자(전자의 흐름을 도와주는 재료)에 기존의 바인더 대신 전해질을 섞어 점도 높은 전극을 만들고(양극: LFP, 음극: LTO), 고비점 전해질과 광가교 모노머에 나노 입자를 섞어  ‘조청’과 같은 흐름 특성 (점도 ~ 700 Poise)을 갖는 전해질을 제조하였다. 이 물질들을 원하는 사물 위에 직접 음극-전해질-양극 순서로 순차적으로 프린트하되 각각의 프린팅 후 광가교반응을 이용하여 1 분 이내의 짧은 시간 동안 자외선에 노출시켜 고체화시킴으로써 우수한 디자인 다양성을 갖는 기기일체형 형상 순응 (shape-conformable) 전지를 구현하였다.

○ 양극/분리막/음극을 별도로 제조한 후 이들을 정해진 규격의 포장재 케이스에 넣고 최종적으로 액체전해질을 주액하여 제조하는 기존 전지와는 달리, 기기 일체형 형상 순응 전지는 1) 분리막을 사용하지 않고, 2-1) 양극, 음극 및 전해질이 프린팅이 가능한 점도를 가지며 2-2) 또한 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 사물 위에서 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 안전성 (safety)을 기대할 수 있다. 또한, 지름 5mm 막대에 반복적으로 감았을 경우에도, 전지 폭발 없이 성능이 그대로 유지되는 우수한 플렉서블 특성을 확보하였다.

3. 기대효과

○ 사물과 형태적으로 일체화된 형상 순응 전지는, 사물인터넷 및 웨어러블 시대에 다가가는 데 있어 가장 큰 걸림돌 중의 하나였던 전원 문제를 해결할 수 있는 원천 기술이며, 이를 통해 플렉서블 전지 자체는 물론 전지가 적용된 분야도 힘께 발전시킬 수 있는 혁신적 개념의 전지 솔루션이 될 수 있을 것으로 기대된다.

○ 간단한 프린팅 및 광가교 공정을 이용하여 전지 제조가 가능해짐에 따라, 고액의 투자비 및 운영 비용이 요구되는 기존 전극 제조 공정 및 액체 전해질 주액 공정이 필요 없게 되어, 전지 제조 단가를 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

○ 향후 잉크젯 및 3차원 프린팅 기술과의 접목을 통해 기존 전지 기술로는 적용하기 힘들었던 여러 다양한 분야의 전원으로 확대가 가능할 것으로 예상된다.

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

기존 전지와는 달리, 전지구성성분을 “조청”과 같은 흐름 특성을 갖도록 한 후, 간단한 프린팅 공정을 이용하여 원하는 사물 위에 원하는 형태를 갖는 전지를 쉽게 제조할 수 있음. 고액의 투자비 및 운영 비용이 요구되는 기존 전극 제조 공정 및 액체전해질 주액 공정이 필요 없게 되어 전지 제조 단가를 낮출 수 있음.

2. 어디에 쓸 수 있나

웨어러블 전자기기 및 사물인터넷용 전원으로 활용 가능, 잉크젯 혹은 3D 프린팅 기술 접목을 통해, 하트 모양, 글자모양 및 마이크로 스케일을 갖는 차세대 전지 제조

3. 실용화까지 필요한 시간은

본 개발 전지의 최종 적용 분야에 따라 실용화 시간이 결정될 것임. 빠르면 5년 이내에 가능할 것임.

4. 실용화를 위한 과제는

전극 및 전해질 외에, 포장재까지 프린팅으로 제조되어야 하며, 응용 분야에 맞게끔 전지 성능 최적화가 필요함.

5. 연구를 시작한 계기는

기존 전지 형태로는 웨어러블 전자기기 및 사물인터넷용 전원으로 사용되기가 어려울 것으로 판단하였음. 또한, 전자기기의 디자인 다양성 확보에 가장 큰 걸림돌이 전지라는 점에 주목하여, 이를 극복할 수 있는 연구를 시작하게 되었음.

6. 에피소드가 있다면

처음 연구를 시작할 때에는 웨어러블 전자기기용 전원 개발이 주 목적이었고, 사물인터넷이라는 용어는 아직 등장하기 전이었음. 그러나, 연구 성과가 가시화되고 난 후, 사물인터넷 전원으로서 더욱 적합한 것을 알게 되었고, 운 좋게도 미래 기술을 미리 예측하여 선점할 수 있었음.

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

플렉서블 전원, 더 나아가서는 웨어러블 및 사물인터넷 전원 분야에서 세계적인 연구 그룹이 되고자 함.

8. 신진연구자를 위한 한 마디

타인의 연구결과를 보고 조금씩 변경하는 수준의 종속형 연구로는 앞으로 큰 발전을 기대하기 어려움. 힘들고 위험성이 높지만, 타인과 철저하게 차별화된 나만의 연구 세계를 만들어 나가야 하며, 이를 통해 독창적 연구 결과를 창출하여 새로운 분야를 여는 "First Mover"가 되도록 노력하기를 바람.

[붙임] 용어설명

1. 나노레터스(Nano Letters)誌

미국 화학회 (American Chemical Society, ACS) 출판사에 의해 발행되는 나노 및 재료과학 분야의 세계적 권위지 (영향력 지수 13.592)

2. 프린터블 (printable) 전지

전지의 구성 요소들 (전극 및 전해질)을 프린터블 공정을 이용하여 제조한 차세대 신개념 전지. 전지 구조 및 공정 단순성으로 인해, 원하는 사물에 원하는 모양으로 쉽게 전지 제조가 가능하며 고안전성 확보가 가능한 장점을 보임.

3. 고체 전해질

전지 내부에서 이온 전달 기능을 담당하는 전해질 (electrolytes)의 한 종류로서, 현재 상업화 전지에 사용되는 액체 상태의 전해질과는 달리 고체 상태 필름 형태의 전해질로서, 누액 억제 및 안전성이 크게 향상된 특징을 갖는다.

4. 슬러리 (slurry)

프린팅 공정이 가능하도록 유변학적 특성, 즉 점도가 조절된 액체 (주로 무기물이 분산된) 혼합물.

5. 광가교반응 (UV-crosslinking)

고분자 사슬이 말단 이외의 임의 위치에서 서로 직접 또는 수개의 화학적 결합으로 연결되는 것으로, 자외선 조사에 의해 가교 반응이 시작되며, 일반적으로 가교 전에 비해 고분자의 기계적 강도가 증가한다.

[붙임] 그림설명