신용카드 두께 리튬이온 배터리 개발…"휘고 무선충전 가능"

[KAIST 최장욱 교수·송재용 표준硏 송재용 박사 연구팀 주도…의료패치·스마트카드 등에 적용]

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스마트 카드에 적용된 초박형 플렉서블 배터리의 모습<br><br>이번에 개발된 배터리는 신용카드대비 약 60% 수준으로 얇기 때문에 배터리를 카드 내부에 심어 기존에 전원 문제로 할 수 없었던 연산 작업을 통해 통합형 스마트 카드를 구현할 수 있을 것으로 기대한다/사진=KAIST<br>

한국과학기술원(KAIST) EEWS 대학원 최장욱 교수와 한국표준과학연구원 송재용 박사 공동 연구팀은 신용카드보다 얇고, 무선 충전이 가능한 플렉서블(휘는) 리튬이온 배터리를 개발했다고 17일 밝혔다.

이번 연구는 모바일 전자기기, 전기 자동차 등 폭넓은 분야의 전원으로 사용되는 리튬이온 배터리가 플렉서블 전자기기에도 적합한 전원으로 개발됐다는 의의를 갖는다.

기존 리튬이온 배터리는 양극, 분리막, 음극을 샌드위치처럼 층층이 쌓는 적층방식이기 때문에 두께를 줄이기 어려웠다. 

또 층 사이에 발생하는 마찰로 인해 구부리기 어렵고, 전극 필름이 벗겨져 성능 유지에 한계가 있었다.

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새로운 전극 구조의 초박형 플렉서블 배터리의 구성도.<br><br>초박형 두께를 구현하기 위해서 기존 전극과 분리막이 층층이 쌓인 샌드위치 구조에서 분리막을 없애고, 전극을 동일 평면상에 위치 시켰다. 또한, 동일 평면상 구조는 내부 직렬연결을 통해 기존 3.7 V 인 전압의 두 배인 7.4 V 혹은 그 이상의 전압을 갖출 수 있다/사진=KAIST

연구팀은 적층이라는 고정관념에서 벗어나 분리막을 없애고 양극과 음극을 평면으로 동일선상에 배열했다. 또 양극 간 격벽을 둬 리튬이온 배터리에서 발생할 수 있는 합선, 전압강하 등의 현상을 없애는 데 주력했다.

이후 5000번 이상의 연속 굽힘 실험을 통해 배터리 성능 유지와 함께 더 유연한 새로운 개념의 전극 구조가 가능함을 확인했다.

플렉서블 배터리는 통합형 스마트 카드, 미용 및 의료용 패치, 영화 '아이언 맨'처럼 목소리와 몸짓으로 컴퓨터에 명령할 수 있는 피부 부착형 센서 등에 적용할 수 있다.

나아가 연구팀은 이 배터리에 전자기 유도 및 태양전지를 적용, 무선 충전 기술도 함께 개발하는 데 성공했다.

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최장욱 교수/사진=KAIST

연구팀에 따르면 현재 이 동일 평면상 배터리 기술을 프린팅 기술과 접목해 대량 생산 공정을 개발 중이며, 반도체, 배터리 등의 전자제품을 3차원(D) 프린터로 생산할 수 있는 방향으로 연구를 진행중이다. 

최 교수는 "이번 기술은 피부 부착형 의료용 패치의 전원 역할을 해 패치 기능의 다양화에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 나노과학분야 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 이달 6일자 온라인판에 게재됐다.

◆용어설명

▶리튬이온 배터리: 휴대용 전자 기기나 전기 자동차의 전력원으로 주로 쓰이는 반복해서 충전이 가능한 배터리. 리튬이온이 전극 재료에 삽입과 탈리되는 과정이 충/방전 과정에서 반복된다. 

▶분리막: (+)극과 (-)극이 배터리 내부에서 직접 붙지 않도록 분리해 주는 막으로, 이온은 통과하지만 전자는 통과하지 못하는 고분자 막이다.

▶전자기 유도 방식 무선 충전: 전자기를 내보내는 송신 코일과 전자기를 받아들이는 수신코일 사이에 유도된 자기장이 기전력을 발생시켜 이를 이용하여 충전하는 방식.
<기사 출처 : 머니투데이>