화학연, IoTㆍ웨어러블 3D 프린팅용 전지 소재 개발

▲금속 집전체 잉크와 이를 이용한 3차원 프린팅 기반 전지 제작 과정. (사진제공=한국화학연구원)

한국화학연구원(KRICT)은 화학연과 경희대학교 공동 연구팀이 3D 프린팅용 전지로 전 세계가 주목하는 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 안에 들어가는 집전체 소재를 개발했다고 26일 밝혔다.

EDLC 전지는 구조가 단순하고 수명이 길어 작은 전력을 사용하는 센서, IoT, 웨어러블 소자 등의 첨단 기기 구동을 위한 에너지원으로 적합한 것으로 알려져 있다. 현재에도 리튬이온전지의 보조 전지 격으로, 일부 자동차 및 스마트폰, 카메라 등에 쓰이고 있다.

전지는 집전체, 전극, 전해질로 구성돼 있다. 3D 프린팅으로 제작이 가능하려면 이 세 구성 성분 모두 3D 프린팅이 가능한 잉크 소재여야 한다. KRICT 최영민ㆍ김태호 박사팀과 경희대 정선호 교수팀은 이 세 부분 중 그동안 기술 개발이 더뎠던 집전체 소재를 개발했다. 집전체는 전자를 뽑아내 이동할 수 있도록 연결해주는 소재로 이차전지의 핵심 부품이다.

집전체는 탄소나노튜브나 은나노섬유로 이루어진 소재가 개발된 적은 있었지만, 성능에 한계가 있었다. 전기전도성이 높고 고전압에서도 소재가 안정적으로 유지되는 수준을 충족하는 기술전 전 세계적으로도 드물었다.

연구팀은 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈(Ni) 입자, 소량의 고분자 소재(PVP) 등을 혼합해 전기전도성과 고전압 안정성 모두 높은 3D 프린팅용 금속 잉크 소재를 개발했다. 잉크 소재는 프린팅된 후, 극히 짧은 순간(1000분의 1초) 빛을 쬐어주면 잉크 속 나노미터와 마이크로미터 사이즈의 니켈 입자 들이 서로 연결되며 전기전도성이 극대화한다. 동시에 전도성 보호층이 생긴다. 이 덕분에 EDLC 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지하는 것으로 나타났다.

개발 소재가 적용된 마이크로 슈퍼커패시터 소자는 높은 에너지밀도를 구현했다. 또 주재료로 니켈 입자를 활용하기 때문에 가격이 매우 저렴하다. 잉크의 점성을 적절히 조절할 수 있어, 어떤 모양의 전지도 정교하게 프린팅해 만들 수 있다는 점도 장점이다.

경희대 정선호 교수는 “이번 연구의 가치는 인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다. 화학연 최영민ㆍ김태호 박사는 “슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술”이라고 자평했다.