전지 어떤 모양이라도 만든다…3D 프린팅 전지 제작기술 개발

금속 집전체 잉크와 이를 이용한 3차원 프린팅 기반 전지 제작 과정/자료=화학연

미래 착용형(웨어러블) 기기, 센서, 소형 로봇, 인체삽입형 소자 등은 크기가 작고 다양한 형태를 띠고 있어 여기에 들어가는 이차전지도 기존 전지처럼 정형화된 형태가 아니라 정교한 형태로 만들어 넣어야 한다.

한국화학연구원 화학소재연구본부 최영민·김태호 책임연구원팀이 3차원(D) 프린팅으로 정교한 형태, 원하는 모양대로 전지를 제작하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 현재 3D 프린팅용 전지로 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC)가 꼽히는데, 이 전지 안에 들어가는 집전체 소재를 연구팀이 개발한 것이다.


EDLC 전지는 구조가 단순하고 수명이 길어, 작은 전력을 사용하는 센서, 사물인터넷(IoT), 웨어러블 소자 등의 첨단기기 구동을 위한 에너지원으로 적합하다.

전지는 집전체, 전극, 전해질로 구성돼 있다. 3D 프린팅으로 제작 가능하려면 이 세 구성 성분 모두 3D 프린팅이 가능한 잉크 소재여야 한다.

연구팀은 경희대 정선호 교수팀과 함께 이 세 부분 중 그동안 기술 개발이 더뎠던 집전체 소재를 개발했다. 집전체는 전자를 뽑아내 이동할 수 있도록 연결해주는 소재로 이차전지의 핵심 부품이다.


현재까지 집전체에 대해서는 괄목할만한 3D 프린팅용 소재가 개발되지 않은 상태다.

집전체의 경우, 3D 프린팅용 소재로 탄소나노튜브나 은 나노 섬유로 이뤄진 소재가 개발된 적은 있었지만, 전기전도성이나 고전압 안전성 등의 성능이 따라 주지 못했다.

연구팀은 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈(Ni) 입자, 소량의 고분자 소재(PVP)등을 혼합해 전기전도성과 고전압 안정성 모두 높은 3D 프린팅용 금속 잉크 소재를 개발했다.

연구팀에 따르면 이 잉크 소재는 프린팅된 후, 1000분의 1초라는 극히 짧은 순간 빛을 쬐어주면 잉크 속 나노미터와 마이크로미터 사이즈의 니켈 입자들이 서로 연결돼 전기전도성이 극대화됐다.

또 동시에 고분자 소재의 순간적 광분해 현상과 함께 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원반응이 일어나 표면에 전도성 보호층이 생긴다. 이 보호층 덕분에 EDLC 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지하는 것으로 나타났다.

이번에 개발한 소재가 적용된 마이크로 슈퍼커패시터 소자는 높은 에너지밀도를 구현했다. 이는 3D 프린팅 공정이 아닌 기존 증착 공정이나 리소그래피 공정의 소자 특성과 비교했을 때 비슷한 수준이다. 에너지밀도가 높으면 전지를 한번 충전했을 때 쓸 수 있는 지속 기간이 길다.

이번 소재는 주재료로 니켈 입자를 활용하기 때문에 가격도 저렴하다. 이와 함께 잉크에 들어가는 입자들의 배율을 다르게 해 잉크의 점성을 적절히 조절할 수 있어 어떤 모양의 전지도 정교하게 프린팅해 만들 수 있다는 점도 장점으로 꼽는다.

정선호 교수는 “이번 연구의 가치는 인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 것”이라고 말했다. 최 박사는 “슈퍼커패시터를 넘어 고전압·고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술”이라고 자평했다.