스킵네비게이션

○강 연 일: 2017년 5월 26일(금)

○강 연 자: 이 상 영교수(울산과학기술원 에너지공학과 에너지 연성소재 연구실)

그림 1. 물감처럼 칠하듯 만드는 플렉서블 이차전지 개념도

○ 연구배경

영화 ‘아이언맨’에 나오는 아이언맨 슈트는 누구나 한번쯤 입어보고 싶은 마음이 생기는 매력적인 옷이다. 비단 아이언맨 슈트 뿐 만아니라, 최근 감을 수 있는 롤업 (Roll-up) 디스플레이, 스마트워치, 구글글래스 등 웨어러블 (wearable) 기기들이 출시되고 있다. 이러한 웨어러블 기기들이 개발됨에 따라, 휘거나 접을 수 있는 배터리에 대한 필요성이 부각되고 있다. 하지만, 현재 상용화된 배터리는 AA건전지 같은 원통형, 휴대폰 배터리 같은 각형으로 형태가 매우 제한적이다. 다양하고 복잡한 구조 및 디자인을 갖는 웨어러블/플렉서블 (flexible) 기기 개발에 있어 플렉서블 배터리 개발의 중요성이 매우 큰 실정이다. 본 연구팀은 기존 딱딱한 형태의 배터리의 한계를 극복하고자 자연에서 얻을 수 있는 오팔모양 구조를 이용한 플렉서블 배터리, 일상생활에서 사용하고 있는 유연한 종이 소재를 이용한 종이 배터리, 물감으로 그림을 그리 듯 바를 수 있는 바르는 배터리를 개발하였다.

나비의 날개에는 색소 없이도 빛을 내는 구조색이 있다. 아주 작은 나노미터(nanometer, 10억분의 1m) 크기의 구조를 볼 수 있는 주사전자현미경으로 나비날개를 확대해보면 나노미터 단위의 기공이 균일하게 층층이 쌓인 나노구조물이 있다. 이런 특징을 가진 것에는 나비뿐만 아니라 조개껍데기, 공작의 깃털, 오팔과 같은 보석들이 있다. 이러한 오팔구조에서 아이디어를 얻은 역 오팔(inverse opal) 구조는 균일한 크기의 나노입자들이 규칙적/반복적으로 배열된 오팔모양에서, 나노입자를 제거해 균일한 다공구조를 갖는 형태를 말한다. 균일한 다공구조와 높은 유연성을 갖는 역 오팔 구조가 배터리에 적용되었을 때 높은 유연성을 갖는 플렉서블 배터리를 만들 수 있다.

또한, 일상생활에서 쉽게 구할 수 있으며 뛰어난 유연성을 나타내는 종이도 훌륭한 배터리 소재가 될 수 있다. 종이 원료인 나무의 40% 정도를 차지하고 있는 셀룰로오스를 잘게 쪼개면 머리카락의 만 분의 1굵기인 나노셀룰로오스를 얻을 수 있다. 나노셀룰로오스는 ‘실’처럼 매우 얇은 섬유 형태로 쉽게 구부러지는 성질을 갖는다. 이를 배터리를 구성하는 주요 물질인 전극, 분리막에 적용하면 종이학을 접을 수 있는 수준의 유연성을 갖는 종이 배터리 제조가 가능하다.

잼이나 물감은 어떤 표면이든 원하는 곳 위에 바를 수 있는 특징이 있다. 이는 적절한 수준의 점도를 갖기 때문인데, 이 점도에서는 흐르지 않으면서 어떤 표면이든지 얇게 원하는 모양으로 바를 수 있게 된다. 이러한 특징을 배터리 구성 물질에 적용하여 점도를 조절하게 되면, 마치 물감을 이용하여 그림을 그리듯이, 바르는 배터리를 만들 수 있다.

○ 강연 소개

스마트 기기의 시대가 도래 하면서 우리생활에서 없어서는 안 될 존재가 된 배터리. 배터리가 우리에게 주는 에너지는 전기 에너지의 일종으로, 배터리의 4가지 구성소재인 양극과 음극, 분리막, 전해질사이에서 일어나는 이온과 전자의 화학반응에 의해 얻을 수 있다. 전해질은 이온을 가지고 있는 액체물질로 양극, 음극, 분리막에 잘 스며들어야 하고 분리막은 양극과 음극이 맞닿지 않도록 분리시켜주며 동시에 이온 이동통로가 되기 때문에, 이온이 재빠르게 이동할 수 있어야 하며 더불어, 양극과 음극은 이온과 전자가 이동하기에 좋은 구조여야 한다. 우리가 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 사물들도 배터리가 될 수 있다면 어떨까? 천연의 아름다운 색을 뽐내는 나비날개를 닮은 분리막, 소풍도시락의 대표음식인 김밥의 김으로도 이온이 재빠르게 이동할 수 있도록 하는 분리막을 만들 수 있다. 새하얀 종이에 물감을 묻혀 그림그리기를 했던 미술시간, 이제 배터리를 종이로 만들어 종이 접기도 할 수 있고 물감처럼 바르는 배터리도 만들 수 있다. 뿐만 아니라, 원하는 모양으로 프린트하는 배터리를 만드는 것도 가능하다. 본 강연에서는 배터리가 에너지를 만드는 방법과 일상에서 쉽게 얻을 수 있는 배터리 소재들과 그 원리들에 대해 소개해 보고자 한다.

○ 연구팀 및 연구 소개

울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 이상영 교수 연구팀은 최근 관심이 증대되고 있는 사물인터넷 시대 웨어러블/플렉서블 전자기기 작동에 필요한 디자인 제약이 없는 미래 웨어러블 전원, 플렉서블 에너지 저장장치 관련 연구를 선도하고 있으며, 지난 2014년에는 도화지에 물감을 칠하듯 원하는 물체에 원하는 모양으로 만들어 사용할 수 있는 바르는 리튬이차전지 개발에 성공하여 한국연구재단의 기초연구 우수성과 50선에 선정되었으며, 2105년에는 사물일체형 전지에 관한 연구 테마로 한국연구재단 도약과제 ((구)국가지정연구실)로 지정되었다. 또한, 나무를 구성하는 기초물질이자 지구상에 존재하는 가장 흔한 유기물질 중의 하나인 나노셀룰로오스를 이용하여 친환경적이면서도 가볍고 유연한 종이 배터리를 개발하여 많은 주목을 받았다. 이외에도, 기계적 유연성이 극대화된 1차원 섬유구조 기반 고에너지 밀도 플렉서블 전극, 전지의 출력 특성과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 기능성 분리막, 선택적 이온전달 특성을 갖는 이온교환막 등 다양한 에너지 저장 및 변환 장치의 핵심소재 연구를 통해, 기존의 전지 패러다임을 변화시킬 수 있는 혁신적인 기술을 제시하기 위해 노력하고 있다.

실험실 홈페이지: http://syleek.unist.ac.kr/