초소형 리튬전지, 3D프린터로 마음대로 인쇄한다

KIST 연구팀

국내 연구진이 3D 프린터를 이용해 자유로운 형태로 인쇄할 수 있는 초소형 리튬이온전지를 개발했다. 사물인터넷(IoT) 디바이스, 생체로봇, 삽입형 의료기기 기술 등 초소형 전자기기에 전기 공급용으로 활용될 수 있어 주목된다.

KIST 연구팀이 개발한 3D 프린팅으로 자유로운 형태로 제작 가능한 초소형 리튬이온전지. 사진제공=KIST

한국과학기술연구원(KIST)은 정승준 소프트융합소재연구센터 박사팀이 임종우 서울대 화학부 교수와 공동으로 가벼우면서 디자인 자유도가 높고, 개인화된 작은 기기에도 도입할 수 있는 자유형상 리튬이온전지를 개발했다고 14일 밝혔다.

현재 휴대기기, 전기차 등에는 원형 또는 사각형 등 매우 정형화된 디자인의 리튬이온배터리가 사용되고 있었으며, 기존의 리튬이온배터리는 금속 집전체를 사용하여 매우 무겁고, 가연성이 있는 액체 전해질을 사용하는 등의 한계가 있었다. 이를 넘어 사용자 맞춤형 초소형 기기 설계 시 공간을 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리의 모양을 자유롭게 제작할 수 있는 기술이 필요하다.

연구팀은 집전체부터 패키징까지 모든 배터리 소재를 3D 프린팅 공법을 이용하여 자유롭게 인쇄한 리튬이온전지를 제작했다. 이를 위해서는 고해상도로 안정적인 패턴 형성이 가능한 배터리 소재 잉크 개발이 필수적인데, 기존의 액체 전해질 혹은 반고체 겔 전해질 연구에서는 잉크의 유변학적 특성 제어가 어려워 고해상도 패턴을 형성하지 못했다. 연구팀은 두 개의 고분자 비율을 조절함으로써 밀리미터 (mm) 이하의 고해상도 패턴 형성과 높은 이온전도도를 동시에 만족하는 반고체 겔 전해질 개발에 성공했다. 무거운 금속 집전체를 가벼우며 전기 전도성이 높은 금속 나노 입자 잉크와 고분자 잉크로 대체하여 집전체를 구현했다.

그 결과 배터리에 필요한 모든 소재를 3D 프린팅으로 인쇄할 수 있었고, 기존 배터리가 적용될 수 없었던 공간에 형태의 제약 없이 기기에 집적화되어 전원을 공급할 수 있음을 입증했다. 개발한 프린팅 배터리는 사물화 인터넷, 센서, 의료삽입형 기기 등에서 필요한 수 mAh의 용량을 달성했다.

정 박사는 "기존의 배터리가 적용되기 어려운 3D 형상의 자유형상 기기, 의료 삽입형 기기, 소형 로봇 분야 부분에 에너지 공급원으로 사용될 것으로 기대된다” 라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 'Energy Storage Materials' (IF 20.831, JCR 상위 4.203%)에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr