[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

○ 입는 컴퓨터, 휘어지는 디스플레이, 두루마리 전자종이 등 미래 웨어러블(wearable) 기기와 사물인터넷 등을 작동시키는 데 필요한 전원으로서 ‘플렉서블(flexible) 전지’가 크게 주목받고 있다. 플렉서블 전지는 다양한 모양으로 변형이 쉬워 여러 디자인을 요구하는 차세대 기기의 전원으로 적합하다고 평가된다. 그러나 현재 상업화된 이차전지는 시트(sheet) 형태의 양극과 음극, 분리막을 서로 포개어 모은 후 정해진 규격의 포장재 케이스에 넣고 액체전해질을 주입해 제조한다. 이런 형태의 전지 구조는 미래 웨어러블 기기 등의 전원으로 적용하기에 한계가 있다.

○ 기존 전지들의 구조적 한계로 인해, 스마트폰을 포함한 전자기기들은 전지가 삽입될 공간을 미리 확보하는 형태로 설계된다. 이런 구조적인 문제 때문에 전자기기의 디자인을 자유롭게 만들기는 어려운 실정이었다. 특히 다가올 사물인터넷용 플렉서블 전원 개발은 기술적 진보가 거의 없는 상황이었다.

2. 연구내용

○ 이번 연구에서는 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 ‘잉크젯 프린터’를 이용해 ‘슈퍼커패시터(super capacitors) 전지’를 만드는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 A4 종이 위에 마치 글자나 그림을 출력하듯이 전지를 찍어낼 수 있다.슈퍼커패시터는 리튬이온의 화학적 반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재의 활성탄에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용해 충·방전한다. 일반 이차전지에 비해 에너지 밀도(충전량)은 적지만 순간적인 고출력을 낼 수 있다는 게 장점이다.

○ 잉크젯 프린터로 종이 위에 전지를 직접 인쇄하려면 전지 재료를 잉크젯 프린터에 맞게 만들어야 한다. 이를 위해 연구진은 전지의 모든 구성 요소들을 잉크 형태로 제조하고, 각 재료의 점도를 잉크젯 프린팅이 가능하도록 조절했다. 또한 종이 위에서 잉크가 번지거나 이탈되는 문제를 해결하기 위해, 종이 표면을 나노 크기의 셀룰로오스로 전처리했다. 그 다음으로 은 나노입자와 탄소 나노튜브 등을 도입해 전지 특성을 향상시켰다. 전지의 내열성 확보를 위해서는 이온성 액체와 가교 고분자로 구성된 고체 상태 전해질을 적용했다.

○ 개발된 전지는 슈퍼커패시터 전지 거동을 보이며 10,000회 충‧방전을 반복해도 용량이 감소되지 않았다. 150℃ 고온에서도 전지 특성이 유지됐고 1,000회 반복적으로 구부려도 전지 성능에 변화가 없었다. 잉크젯 프린팅 공정의 특징 덕분에 마치 그림을 그리듯이 전지를 직렬 혹은 병렬식으로 연결시킬 수 있어 전지 전압과 용량을 쉽게 제어할 수 있었다.

○ 이러한 소재와 구조, 공정 특징 덕분에 컴퓨터로 디자인한 글자나 그림 모양의 전지를 잉크젯 프린터로 마치 문서를 출력하듯 제조할 수 있었다. 연구진은 이 기술을 이용해 ‘LED 램프를 켤 수 있는 종이 지도’, ‘물 온도를 감지할 수 있는 유리컵’을 제작했다. 이는 궁극적으로 사물인터넷 전원으로 활용할 수 있는 획기적 개념의 디자인이 확보된 전지 제조 기술을 확보했음을 의미한다.

3. 기대효과

○ 이번 연구의 결과물은 잉크젯 프린터로 종이 위에 직접 출력한 문서 형태 플렉서블 전지다. 이는 사물인터넷 및 웨어러블 시대를 여는 데 있어 가장 큰 걸림돌 중의 하나였던 전원 문제를 해결할 수 있는 원천 기술이다. 플렉서블 전지 자체는 물론 전지가 적용된 분야도 함께 발전시킬 수 있는 혁신적 개념의 전지 솔루션이 될 수 있을 것으로 기대된다.

○ 전지 소재와 잉크젯 공정을 최적화하면 플렉서블 전지의 디자인을 다양하게 구현할 수 있다. 또 마이크로 스케일의 전지도 제조 가능할 것으로 예상된다.

○ 기존 전지 제조는 고액의 투자비와 운영비가 요구된다. 하지만 이번에 개발한 기술은 잉크젯 프린팅 기술과 A4 종이를 이용하는 간단한 전지 제조를 가능하게 만들었다. 전지 제도 단가도 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

○ 잉크젯 프린팅 전지는 향후 다양한 사물인터넷 기기로 응용될 전망이다. 또 3차원 프린팅 등 신규 공정기술 및 차세대 전지 소재와 접목해 기존 전지 기술로는 적용하기 힘들었던 다양한 전자 기기 분야 전원으로 확대 적용이 가능할 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1. 에너지 및 환경 과학(Energy & Environmental Science)誌

에너지 및 환경 과학지는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에 의해 발행되는 세계적인 권위지(영향력 지수 20.523).

2. 슈퍼커패시터(supercapacitors)

이차전지의 한 종류. 에너지 밀도는 리튬이차전지에 비해 낮으나 출력 밀도와 수명 특성 및 안전성이 현저히 높은 전기화학 시스템.

3. 잉크(ink)

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

4. 나노 셀룰로오스

나무에서 추출한 섬유 소재. 지름이 수 나노미터(㎚)이고, 길이가 수 마이크로미터(㎛)인 섬유 형상의 셀룰로오스 소재.

5. 은 나노 섬유

나노미터(㎚) 크기를 갖는 섬유 형상의 은(silver) 소재.

6. 고체 전해질

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

7. 가교반응(crosslinking reaction)

고분자 사슬이 말단 이외의 임의 위치에서 서로 직접 또는 수개의 화학적 결합으로 연결되는 것. 열이나 자외선을 쬐어주면 가교 반응이 시작되며, 일반적으로 가교 전에 비해 고분자의 기계적 강도가 증가한다.

[붙임] 그림 설명