구조적 유연성·안정성 확보, 기존 배터리와 동등한 수준의 성능 구현
[대학저널 백두산 기자] 경희대학교 이창우(사진) 교수 연구팀이 섬유 형태의 배터리 개발에 성공했다.
5일 이 교수 연구팀에 따르면 현재 웨어러블 기기를 비롯한 다양한 전자기기에 활용되는 배터리는 리튬이온 배터리로, 충전 가능한 배터리 중 가장 높은 밀도와 전위를 제공해 효율성이 높지만 배터리 전극 구조가 평면으로 제한돼 다양한 형태의 전자기기에 적용하는데 한계가 있다. 이 교수 연구팀은 섬유 형태의 배터리를 개발해 이같은 리튬이온 배터리의 구조적 한계를 극복했다.
이 교수는 “미래에는 4차 산업혁명과 관련된 기술 수요가 높을 것으로 판단해 연구 주제를 선정했다”며 “미래기술에 대한 오랜 고민이 성과로 이어져 개인적으로 의미가 크다”고 밝혔다.
연구팀은 3D 프린팅 기술에서 실마리를 찾았다. 이들은 리튬이온 배터리의 전극 소재로 니켈, 코발트, 망간 기반의 양극활물질과 천연 흑연의 음극활물질을 사용했다. 이를 3D 프린팅 기술로 가공해 1차원 섬유 형태의 전극을 개발했다. 전극은 꼬여있는 형태로 실처럼 가늘고 길다.
이 교수는 “기존 배터리와 달리 새로 개발한 섬유 형태의 리튬이온 배터리는 구조적 유연성을 갖는다”며 “이러한 특성으로 다양한 형상의 기기에 응용될 수 있을 것”이라고 평했다.
이번 연구는 섬유 형태의 리튬이온 배터리 특성을 학술적으로 분석했다는 사실을 넘어, 실물 제작으로 작동 여부를 실증해 더욱 의미 있다. 이를 위해 연구팀은 섬유 형태의 리튬이온 배터리 시제품과 LED 전구를 연결해 개발한 배터리가 에너지 전원으로 구동 가능한지 확인했다. 또한 구부리거나 접었을 때도 작동해 구조적 유연성을 실증했다.
배터리 전극이 실처럼 가는 섬유 형태이기 때문에 배터리 자체가 직물로 짜일 수 있다. 연구팀은 실제로 바늘에 배터리 전극을 꿰어 바느질했다.
이 교수는 “향후 배터리로 이뤄진 스마트 직물이 만들어질 수 있다는 것을 보여준 사례”라며 “유연성, 디자인 다양성을 기반으로 차세대 배터리 기술의 새로운 길을 열었다. 앞으로 IoT, 스마트 헬스케어 등 4차 산업혁명 시대의 다양한 산업에 활용될 것”이라고 전망했다.
이어 “이번 연구의 가장 큰 성과는 섬유 형태 전극에 대한 원천기술을 확보했다는 것”이라며 “이는 배터리 전극으로 기능할 수 있는 전기화학적 특성, 물리적 내구성, 유연성, 전극 잉크로서 원하는 형상을 제조할 수 있는 유변학적 특성 등 다양한 요구 특성을 기술적으로 결합해 이뤄낸 성과”라고 덧붙였다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘미래청정 SMART 에너지 플랫폼연구 차세대 공학연구자 육성 사업’, 교육부의 ‘4단계 BK21사업’ 및 산업통상자원부의 ‘기능성 유무기 복합소재 실용화 전문인력양성사업’의 지원으로 수행됐다.
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