간단한 인쇄공정을 통해 형태 변형이 자유로운 고성능, 고안전 플렉서블 리튬이차전지 제작 원천기술이 국내 연구진에 의해 최초로 개발되었다. 이에따라 그동안 배터리 크기나 디자인의 한계로 인해 상용화 되지 못했던 차세대 모바일 기기 제조의 돌파구가 마련될 것으로 보인다. 

리튬이차전지는 충전과 방전을 반복함으로써 계속적으로 사용할 수 있는 이차전지로, 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기화학 반응을 유도하여 기존 전지들에 비해 높은 에너지 밀도와 수명이 긴 장점을 가지고 있다. 울산과기대 이상영 교수(44세)와 공주대 조국영 교수(39세)가 주도하고, 한국전자통신연구원 이영기, 김광만 박사 및 미국 일리노이주립대 John Rogers 교수, 강원대 길은혜 연구원 등이 공동 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의‘기후변화대응기술개발사업’을 통해 지원되었으며, 재료분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 최신호에 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. 

현재 모바일 기기 전원으로서 가장 널리 사용되고 있는 리튬이차전지는 휴대용 전자기기부터 전기 자동차까지 활용 영역이 급격히 확대되고 있다. 일반적으로 현재까지 상용화된 리튬이차전지는 필름 형태의 양극, 음극 및 분리막을 서로 포개어 모은 후 액체상태의 전해질을 도시락 같은 케이스에 주입하여 제조되어 왔으나, 이런 방법은 두루말이 디스플레이처럼 유연성을 요구하는 앞으로의 전자기기 추세에는 적합하지 않다. 또한 액체전해질을 사용하는 리튬이차전지는 안전성에 문제가 있었는데, 이는 분리막이 열에 반응해서 녹아 양극과 음극이 접촉해 폭발하는 것이 원인이었다.

한편 액체 전해질을 대체하고자 개발되어 온 고분자 전해질은 그 성능(이온전도도 등)에 한계를 보이고 있어 이런 기술적 난제를 극복할 수 있는 신개념 고분자 전해질 개발이 절실히 요구되고 있었다. 이상영 교수 연구팀은 리튬 이온의 이동이 가능한 나노 물질들을 조청과 같은 흐름 특성을 갖도록 제조한 후, 이를 마치 빵에 잼을 바르듯이 전극 위에 인쇄하여 30초 이내의 짧은 시간 동안 자외선에 노출시킴으로써 높은 효율 및 유연성을 갖는 고분자 전해질을 만드는 데 성공하였다.

기존의 액체 전해질 및 고분자 전해질과는 달리, 3차원 구조 전극 등의 다양한 모양을 갖는 지지체 위에 별도의 용매를 전혀 사용하지 않고 간단한 인쇄 공정을 통해 직접 도입될 수 있는 장점으로 인해, 상업적으로 연속 생산이 가능한 롤투롤(roll-to-roll) 공정 적용이 가능해졌다는 점이 큰 기술적 특징이다. 다시 말해, 전지의 모든 구성 요소들(양극, 음극, 전해질)을 순차적으로 직접 바름(인쇄)으로써 프린터블(printable) 전지 제조의 기술적 토대를 확보한 것이다.  또한, 기존의 액체 전해질을 사용한 리튬이차전지가 가진 분리막을 없애고 액체가 아닌 고체형태로 제조하기 때문에 기존의 이차전지보다 높은 안정성을 기대할 수 있다.

연구팀이 개발한 새로운 고분자 전해질은 기존 액체 전해질에 비해 약 40배 이상의 높은 점도를 가져 마이크론(micron) 단위의 미세 구조까지 제조가 가능하였으며, 이와 동시에 액체 전해질 수준의 전지 특성을 구현하였다. 또한 수 시간 이상 복잡한 단계를 거쳐 제조되는 기존 공정에 비해 30초 이내의 짧은 시간 동안 자외선에 노출시키는 과정을 통해 고분자 전해질 제조가 가능하였다. 이러한 공정상의 혁신과 국ㆍ내외에서 출원한 다수의 특허를 통해 해당 분야 기업에의 기술이전 및 상용화가 기대된다.

이상영 교수는 “반도체 및 디스플레이에 이어 국가 주력 산업으로 성장한 이차전지 분야에서 그동안 극복하지 못한 난제들 중의 하나였던 인쇄 가능한 고분자 전해질 원천기술을 확보함으로써 프린팅 공정에 기반한 고성능, 고안전 플렉서블 전지 상업화를 앞당길 수 있는 기술적 토대를 마련하였으며, 향후 전고체 전지, 리튬-에어 및 리튬-설퍼 전지 등의 차세대 전지에 확대 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

<기사출처 | 교육과학기술부 보도자료>