김일두 KAIST 신소재공학과 교수팀이 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리 디자인의 자유도를 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.
김 교수팀은 제니퍼 루이스 미국 하버드대 공대 교수팀과의 공동 연구로 이 같은 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
김 교수는 “3D 프린팅 기술을 이용한 배터리 형상 제작 기술은 초소형 마이크로 로봇의 외형에 잘 맞는 전력장치나 특이한 디자인의 소형 전자소자의 전력 저장장치로의 응용 가능성이 높다”고 설명했다.
공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리의 형상을 반지 모양이나 H·U 등의 알파벳 등 원하는 구조로 자유롭게 제조하는 데 성공했다. 한국화학연구원의 최영민 박사팀과 함께 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용했다. 김 교수는 “수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기 환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있다”며 “3D 프린팅을 활용하면 고객의 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있다”고 설명했다.
현재 배터리의 형상은 원형 또는 사각형 구조로 제한돼 소형 전자소자의 경우 배터리 저장장치가 부피를 많이 차지해 형상을 자유자재로 바꾸기 힘들다.
연구팀은 친환경 물 기반의 아연 이차전지 시스템을 도입했다. 리튬이온 대신 아연이온을 전하 운반체로 사용하는 이 시스템은 물을 전해질의 일부로 사용해 높은 인화성의 유기용매를 전해질로 사용하는 기존의 리튬 이차전지보다 안전하다.
유기용매는 수분과 산소에 노출되면 배터리 열화의 원인으로 작용하는데 연구팀의 수계 아연 이차전지는 수분과 산소에 안정적이다. KAIST 연구팀은 자유로운 형태로 재단이 간편하고 고속 충전·방전이 가능하도록 전기방사 기술을 이용해 탄소섬유 전류집전체를 제조했다. 이후 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소섬유의 표면에 균일하게 코팅해 전류집전체 일체형 양극을 제조했다.
3D 구조를 갖는 얇은 섬유로 이뤄진 폴리아닐린 기반 양극은 2분 동안 50%가 충전되고 다양한 형태의 배터리 제작이 가능하다.
이번 연구에는 KAIST 신소재공학과의 김찬훈 박사, 하버드 공대의 안복엽 박사가 공동1저자로 참여했다. 국제 학술지 ‘에이시에스 나노’ 12월호에 게재됐다. 김 교수는 “최근 ‘에이시에스 나노’ 부편집장으로 선임됐는데 올해 13만4,596회에 달하는 인용 횟수를 갖는 학술지”라며 “과학기술의 저변을 확대하고 세계적인 연구팀과의 국제협력 기회를 만드는 데 공헌하겠다”고 말했다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com
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