고무줄처럼 늘어나는 배터리 개발

폴리우레탄과 금나노입자 이용, 기존 합성 고무 전극 대비 재현성 높여

적층된 밀도구배 탄성전극 제조

[아시아경제 김철현 기자] 자유자재로 형태를 구현할 수 있는 '디포머블 디바이스'의 필수 요소인 늘어나는 배터리의 고질적인 전도성 저하 문제를 해결할 돌파구가 발견됐다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 김병수 연세대 교수, 박수진 포항공대 교수, 니콜라스 코토브 미시간대학 교수 연구팀이 우수한 전도성을 지닌 유연하고 신축성 있는 전극과 배터리를 개발했다고 28일 밝혔다.

신축성 있는 전자기기에 쓰일 수 있는 늘어나는 전극에 대한 연구가 활발하지만 전극이 늘어나는 과정에서 전도층이 파열되면서 전도성이 떨어져 배터리의 용량 저하로 이어지는 것이 문제였다. 이를 극복하기 위해 기판 위에 전도층을 패턴화 시키거나 기판을 주름지게 하는 방법이 시도됐으나 공정이 복잡하고 도포된 표면에만 전기가 흐르는 한계가 있었다.

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 이용한 비교적 단순한 공정으로 신축성은 유지하면서 저항 값을 금속 수준으로 내린 것이다.

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

김병수 교수는 "기존 신축성 전극과 달리 신축성과 전기적 전도 방향성에 제약받지 않기 때문에, 다양한 용도에 맞게 정교한 조절이 가능하다"고 설명했다. 박수진 교수는 "배터리 집전체 뿐 아니라 미래의 신축성 디스플레이 및 전자기기에 응용될 것으로 기대한다"고 평가했다. 이 성과는 미국과학진흥회(AAAS)에서 발행하는 저명한 학술지 '사이언스 어드벤시즈' 26일자에 게재됐다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr