저렴한 '니켈'로 정교한 '3D 프린팅용 전지' 소재 개발

국내 연구팀이 웨어러블 기기나 센서, 소형 로봇 등 크기가 작고 정교한 형태 구현이 필요한 3D 프린팅용 전지 소재를 개발했다. 

한국화학연구원은 최영민·김태호 박사팀과 경희대학교 정선호 교수팀 공동연구로 3D 프린팅용 전지로 주목받는 전극이중층 수퍼커페시터(EDLC) 전지 안에 들어가는 집전체 소재를 개발했다고 지난 26일 밝혔다. 

해당 연구결과는 학술지 ‘Advanced Functional Materials(IF: 16.836)’의 2020년 6월호에 표지논문으로 논문명 'A Printable Metallic Current Collector for All-Printed High-Voltage Micro-Supercapacitors: Instantaneous Surface Passivation by Flash-Light-Sintering Reaction'으로 게재되었다. 

EDLC 전지는 구조가 단순하고 수명이 길어 작은 전력을 사용하는 사물인터넷, 센서, 웨어러블 소자 등의 첨단 기기 구동을 위한 에너지원으로 적합한 것으로 알려져있으며 일부 자동차 및 스마트폰과 카메라 등에 현재 리튬이온전지의 보조 전지 격으로 사용되고 있다. 

화학연에 따르면 전지는 집전체, 전극, 전해질로 구성되어 있으며, 3D 프린팅으로 제작이 가능하려면 이 세 구성 성분 모두 3D 프린팅이 가능한 잉크 소재여야 한다. 

이 세 부분 중 기술개발이 더뎠던 집전체는 전자를 뽑아내 이동할 수 있도록 연결해주는 소재로 이차전지의 핵심 부품이다. 

집전체는 그간 3D 프린팅 공정 대신 비싼 금(Au)을 표면에 증착하는 공정이나 빛으로 회로를 만드는 복잡한 패턴화 공정만 적용할 수 있었다고 한다. 

탄소나노튜브나 은나노섬유로 이루어진 소재 개발이 있었지만 성능에 한계가 있었고, 높은 전기전도성과 고전압에서도 안정적인 요소가 충족되는 기술이 전세계적으로 드문 상황이다. 

연구팀은 나노미터와 마이크로미터 사이즈의 니켈(Ni) 입자, 소량의 고분자 소재(PVP) 등을 혼합해 전기전도성과 고전압 안정성 모두 높은 3D 프린팅용 금속 잉크 소재를 개발했다고 한다. 

잉크소재는 프린팅 된 후 극히 짧은 순간 빛을 쬐어주면 잉크 속 나노미터와 마이크로미터 사이즈의 니켈 입자들이 서로 연결되어 전기전도성이 극대화된다. 

동시에 고분자 소재의 순간적인 광분해 현상으로 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원반응이 일어나 표면에 전도성 보호층이 만들어진다. 

이 보호층으로 EDLC 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지하는 것으로 나타났다. 

또한 개발 소재가 적용된 EDLC 소자는 높은 에너지밀도를 구현했고 이는 3D 프린팅 공정이 아닌 기존 증착 공정이나 리소그래피 공정의 소자 특성과 비교했을 때 비슷한 수준이라고 한다. 

에너지 밀도가 높으면 전지를 한번 충전했을 때 사용할 수 있는 지속 기간이 길다. 

이 소재는 매우 저렴하다는 장점이 있다. 주 재료로 니켈 입자를 활용하기 때문이며, 잉크에 들어가는 입자들의 배율을 다르게 해 잉크의 점성을 적절히 조절할 수 있고 어떤 모양의 전지도 정교하게 프린팅해 만들 수 있다고 한다. 

한국화학연구원 최영민, 김태호 박사는 "슈퍼퍼캐시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술"이라고 말했다. 

경희대 정선호 교수는 "이번 연구의 가치는 인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다"라고 강조했다. 

포인트경제 박주현 기자