[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 국내 연구진이 미래 사물인터넷(IoT), 센서, 착용형(웨어러블) 기기 소자 등에 필요한 3D 프린팅용 전지 소재를 개발했다.

한국화학연구원 최영민·김태호 박사팀은 경희대학교 정선호 교수팀과 집전체 소재를 개발했다고 27일 밝혔다.

전지는 집전체, 전극, 전해질로 이뤄져 있으며 3D 프린팅으로 제작하려면 이 세 가지 구성 성분 모두 3D 프린팅이 가능한 잉크 소재여야 한다.

화학연·경희대 연구팀이 3차원 프린팅 슈퍼커패시터 제작에 필요한 금속 기반의 집전체 잉크 소재를 개발했다.[사진=한국화학연구원] 2020.10.26 memory4444444@newspim.com

이 세 부분 중 집전체는 전자를 뽑아내 이동할 수 있도록 연결해주는 소재로 이차전지의 핵심 부품이다.

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.

잉크 소재는 프린팅된 후 극히 짧은 순간(1/1000초) 빛을 쬐어주면 잉크 속 나노미터(nm)와 마이크로미터(μm) 사이즈의 니켈(Ni) 입자 들이 서로 연결되며 전기전도성이 극대화된다.

동시에 고분자 소재의 순간적인 광분해 현상과 함께 니켈 입자가 다른 입자로부터 전자를 받는 환원반응이 일어나 표면에 전도성 보호층이 생긴다.

이 보호층 때문에 전극이중층 슈퍼커패시터(EDLC) 전지의 최고전압(3V) 조건에서도 안정성을 오래 유지하는 것으로 나타났다.

개발 소재가 적용된 마이크로 슈퍼커패시터 소자는 높은 에너지밀도(79 mJ cm-2 )를 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 지속기간이 길다.

이 소재는 주재료로 니켈 입자를 활용하기 때문에 가격이 매우 저렴하다. 또 잉크에 들어가는 입자들의 배율을 다르게 해 잉크의 점성을 적절히 조절할 수 있어 어떤 모양의 전지도 정교하게 프린팅해 만들 수 있다는 게 큰 장점이다.

정선호 경희대 교수는 "이번 연구의 가치는 인쇄 공정을 이용한 맞춤형 전지를 제작할 수 있는 공백 기술을 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다"고 설명했다.

최영민·김태호 박사는 "슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술"이라고 자평했다.

이번 연구결과는 ''어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'의 지난 6월호 표지논문으로 게재됐다.

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