자유롭게 탈부착 가능한 ‘스티커형 이차전지기술’ 개발

기사승인 [0호] 2020.02.25  09:27:15

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- 에너지연·KAIST·부산대 공동, 차세대 웨어러블 디바이스 에너지저장소자

   
▲ 차세대 플렉서블/웨어러블 디바이스 응용 가능한 자유롭게 탈부착 가능한 이차전지

[에너지코리아뉴스] 최근 가볍고 소형화된 웨어러블 디바이스와 고기능화 IoT 기기의 수요가 증가함에 따라 새롭게 전원을 수집하고 저장할 기술의 개발이 요구되고 있다. 다양한 에너지저장소자 기술에 관련한 연구들도 매우 활발히 진행되고 있다. 이 가운데 에너지기술연구원, KAIST, 부산대, 난양공대 연구진들이 자유롭게 탈부착이 가능한 스티커형 이차전지기술을 개발을 주목을 받고 있다.

한국에너지기술연구원(김종남 원장) 분리변환소재연구실 윤하나 박사는 KAIST 기계공학과(김영진 교수), 부산대 광메카트로닉스공학과(김승철 교수)와 공동으로 ‘고팽창 그래핀 전극 기반의 자유롭게 탈부착 가능한 스티커형 마이크로 수퍼커패시터 기술’을 개발, 이 기술은 화학공학 분야의 세계적인 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재됐다.

마이크로 수퍼커패시터(micro-supercapacitor, MSC)는 얇은 판상의 초소형 수퍼커패시터. 기존의 리튬박막전지에 비하여 안정성이 뛰어나고, 높은 출력 및 우수한 부피당 에너지밀도 결과를 보이고 있어 최근 큰 기대를 모으고 있는 초소형 고성능 에너지 저장소자를 말한다.
 

기존 리튬박막전지형 디바이스용 에너지저장소자 단점 많아

최근 가볍고 소형화된 웨어러블 디바이스 및 고기능화 IoT 기기의 수요가 증가함에 따라 새로운 전원 수집/저장/관리 기술이 요구되고 있다. 또한, 광범위한 분야에서 웨어러블 디바이스 및 IoT 기기가 적용되고 있어, 전원 공급 외에 추가적인 기능성을 가진 에너지저장소자 기술에 관한 연구들이 매우 활발히 진행되고 있다.

인체의 변형에 따라, 유연한 변형이 요구되는 웨어러블 디바이스 에너지저장소자는 디자인의 유연성, 안전성을 가지며 장시간 작동이 가능해야 한다. 하지만, 기존 배터리의 형태는 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구조의 유연성이 부족하고 에너지 저장용량 집적화에 한계가 있어 차세대 웨어러블 디바이스나 고집적화가 필요한 마이크로 소자 등 초소형 기기에 적용하는데 한계가 있어 왔다.

기존에는 웨어러블 디바이스용 에너지저장소자로 리튬박막전지 개발이 활발히 이루어지고 있으나, 리튬박막전지는 마이크로미터 두께의 얇은 필름형태로 집적시킨 박막형태의 리튬전지로 리튬을 포함하는 특성상 선천적 위험성을 내포하고 있으며, 사이클 수명이 낮다는 단점을 갖고 있다.

 

마이크로 수퍼커패시터, 초소형 고성능 에너지저장소자로 큰 기대

최근, 리튬이온전지를 대체할 차세대 에너지저장장치로 마이크로 수퍼커패시터가 많은 관심을 받고 있다. 기존의 수퍼커패시터는 높은 출력밀도 (리튬이온 전지의 약 10배)와 안정성, 충·방전 효율, 반영구적이며 빠른 충방전 사이클 특성 등의 장점이 있으나, 무게당 에너지밀도가 리튬이온전지의 1/10 수준으로 낮아서 현재까지는 제한적인 응용분야에만 사용되어왔다.

하지만, 마이크로 수퍼커패시터의 경우에 리튬박막전지에 비하여 훨씬 높은 출력 특성을 보일 뿐만 아니라, 부피당 에너지밀도 또한 리튬박막전지와 비등한 수준 또는 더 우수한 결과를 보이고 있어 초소형 고성능 에너지저장소자로 큰 기대를 모으고 있다.

 

   
▲ 논문 대표 이미지: (a) 스마트 글래스용 에너지저장소자로서 스티커형 마이크로 수퍼커패시터의 설계 개념도, (b) 극초단 레이저 공정 기반의 고팽창 그래핀 전극 및 (c) 고팽창 그래핀 전극 기반 스티커형 마이크로 수퍼커패시터의 제조 공정의 개략도, (d,e) 고팽창 그래핀 전극 기반 스티커형 마이크로 수퍼커패시터 전극의 단면 이미지. (f) 스티커형 마이크로 수퍼커패시터의 반복적인 탈부착 테스트 결과


국내 연구진, 스티커형태 마이크로 수퍼커패시터 개발 성공

이번 연구진은 극초단 레이저 공정 기술을 응용하여 웨어러블 디바이스에 적용 가능한 구조적 유연성을 가지면서도 어떠한 물체나 표면 등 원하는 곳에 자유롭게 탈부착이 가능한 스티커 형태의 마이크로 수퍼커패시터를 개발하는데 성공했다.

극초단 레이저는 순간적으로 최대 출력을 발생시킬 수 있기 때문에 고팽창의 특수한 그래핀 전극을 제작할 수 있다. 여기에 접착 특성을 가지는 고분자 기재를 고팽창 그래핀 내부에 함침시켜 접착성을 유지하면서도 우수한 전극 성능과 내구성이 확보된 스티커 형태의 마이크로 수퍼커패시터 소자를 제작할 수 있다.

또한, 홍합 모방 표면 개질을 통하여 스티커형 마이크로 수퍼커패시터의 표면에 도파민이라는 레독스 활성화 분자를 도입하였다. 이를 통해 기존의 리튬박막전지 수준의 부피당 에너지 밀도를 가지며 부피당 출력 밀도는 13배 이상 높은 우수한 성능의 스티커형 에너지저장소자를 개발할 수 있었다.

연구 논문의 교신저자인 한국에너지기술연구원 윤하나 박사는 “이번에 개발된 스티커형 마이크로 수퍼커패시터는 차세대 웨어러블 디바이스나 IoT 기기 등에 쉽게 탈부착이 가능할 뿐만 아니라, 친환경적 배터리 기술로서 기존의 리튬 기반의 에너지 저장소자 기술의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대한다” 라고 밝혔다.

또한 공동연구진인 KAIST 김영진 교수는 “본 연구에서 개발된 패터닝 기술은 극초단 레이저 펄스를 통해 빠른 공정시간 내에 재료의 탈락을 최소화하면서 효율적으로 그래핀의 형성을 실현한 것으로, 레이저-유도-그래핀의 다양한 산업적 적용을 촉진시킬 것으로 기대된다”라고 전했다.

한편, 이번 연구는 국내 및 해외 특허출원이 완료된 상태이며 한국에너지기술연구원, KAIST, 부산대, 난양공대 공동연구팀은 차세대 에너지저장소재 및 소자 기술의 선도그룹으로서 후속 연구를 활발하게 진행 중이다.

박선호 기자 news@energykorea.co.kr

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