최근 한국과학기술연구원(KIST)에서 섬유형 배터리의 음극을 수 미터 단위로 대량 생산할 수 있는 혁신적인 기술이 발표됐다. 이 기술은 웨어러블 전자기기와 로봇의 배터리로서의 활용 가능성을 열어주며, 길고 유연한 배터리 구조를 실현할 수 있는 기회를 제공한다.
개발의 주역인 김남동 및 정현수 책임연구원은 전북대학교 김정규 교수, KAIST 이진우 교수, 강원대학교 임형규 교수와 협력하여 이 기술을 완성했다. 연구팀은 섬유형 배터리의 음극을 아연으로 만들어 미터급으로 연속 생산할 수 있는 방법을 고안하였으며, 그 결과는 7월 2일 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 발표되었다.
섬유형 배터리는 기존의 배터리 구조를 길게 늘인 형태로, 전극과 전해질 등의 구성 요소 역시 가늘고 길게 제작해야 한다는 독특한 특성을 지닌다. 이 과정에서 전기전도성이 뛰어나고 강도가 높으며 유연한 탄소나노튜브 섬유가 주요 재료로 주목받고 있다. 탄소나노튜브는 전하 전달을 위한 아연 이온이 안정적으로 결합할 수 있는 산소 기능기를 겉에 결합하여 사용되지만, 이 과정에서 제조 비용이 증가하고 산소 기능기가 쉽게 분리되는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 탄소나노튜브 섬유를 고밀도로 집적하여 복합 섬유 음극을 구현했다. 이 과정에서 나노튜브 사이의 굴곡 구조에 아연이 안정적으로 결합되도록 하여 음극의 부식을 최소화했다. 또한, 음극에서 덴드라이트가 성장하지 않도록 금속막을 씌우는 전기도금 시스템을 설계하여 음극을 수 미터 단위로 연속 생산하는 데 성공했다.
이번에 개발된 섬유형 배터리는 1만 회 반복 굽힘 후에도 초기 용량의 89.8%를 유지함으로써 그 기계적 내구성을 입증했다. 이는 스마트 의류, 웨어러블 센서, 전자 피부 등 다양한 전자기기의 전원으로 사용될 가능성을 높여준다.
김 책임연구원은 이번 연구가 섬유형 아연전지의 핵심 난제인 덴드라이트 성장과 제한적인 제조 길이를 동시에 해결했다는 점에서 큰 의미가 있다고 강조했다. 이 연구는 미래의 웨어러블 기술의 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.
국내외 연구자들은 이번 연구 결과를 통해 섬유형 배터리 기술의 상용화 가능성을 더욱 확고히 할 수 있을 것으로 전망하고 있으며, 앞으로 이 기술이 실제 산업에 적용되기를 기대하고 있다.
결론적으로, 한국과학기술연구원의 이번 연구는 섬유형 배터리의 유연성과 내구성을 극대화하여 웨어러블 기기의 전원 솔루션에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 보인다. 이는 전자기기 디자인의 혁신을 촉진하고, 사용자의 경험을 향상시키는 데 기여할 것이다.
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