3D프린터로 '웨어러블 등 맞춤형 전지' 만든다

3D 프린팅용 전지 부품 집전체의 핵심 성능
전기전도성, 고전압 안정성 모두 확보한 소재 개발
저렴한 니켈 활용해 정교한 형태의 전지 구현 가능

금속 집전체 잉크와 이를 이용한 3차원 프린팅 기반 전지 제작 과정

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 3D 프린팅용 전지 소재를 개발했다. 3D 프린터 기술을 활용해 전지를 개발할 때 활용할 수 있는 특수 잉크 소재다. 미래 착용형(웨어러블) 기기, 센서, 소형 로봇, 인체삽입형 소자 등에 쓰일 맞춤형 전지를 개발하는데 기여할 기술이 될 전망이다.

한국화학연구원은 미세한 크기의 니켈 입자, 소량의 고분자 소재 등을 혼합해 전기전도성과 고전압 안정성을 확보한 3D 프린팅용 금속 잉크 소재를 개발했다고 26일 밝혔다. 연구원 내 화학소재연구본부 최영민, 김태호 책임연구원과 경희대 연구진이 함께 연구해 개발한 이 기술은 국제 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 최근 실렸다.

3D프린터로 전지를 만든다

이 소재는 프린팅된 후 극히 짧은 순간(1/1000초) 빛을 쬐어주면 잉크 속 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈 입자들이 서로 연결되며 전기전도성이 매우 커진다. 이때 고분자 소재의 순간적인 광분해 현상과 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원반응이 일어나 잉크 표면에 전도성 보호층이 형성된다. 이 보호층은 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지했다.

또 이번에 개발된 소재가 적용된 마이크로 슈퍼커패시터 소자는 기존 공정으로 만든 소자와 비슷한 수준의 에너지밀도를 구현했다. 에너지밀도가 높으면 전지를 한번 충전했을 때 쓸 수 있는 시간이 길다.

특히 이 소재는 주 재료로 니켈 입자를 활용하기 때문에 가격이 매우 저렴하다. 더불어, 잉크에 들어가는 입자들의 배율을 다르게 해 잉크의 점성을 적절히 조절할 수 있다. 어떤 모양의 전지도 정교하게 프린팅해 만들 수 있다는 뜻이다.

인쇄공정 활용해 맞춤형 전지 제작 가능

니켈 금속 집전체의 고전압(3V) 안정성 평가 결과

정선호 경희대 교수는 "이번 연구의 가치는 인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다"고 밝혔다. 최영민 연구원은 "슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술"이라고 설명했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr