화학연 연구팀 제작기술 개발
화학연 제공
3D 프린팅으로 웨어러블 기기나 센서 등에 쓰이는 이차전지 소재를 정교하게 제작할 수 있는 기술이 나왔다.
한국화학연구원은 최영민·김태호 박사 연구팀과 정선호 경희대 교수 연구팀이 전기전도성이 높으면서 고전압에서 안정성을 갖춘 '3D 프린팅용 금속 잉크 소재'를 개발했다고 26일 밝혔다.
전지는 집전체, 전극, 전해질 등으로 구성돼 있는데, 3D 프린팅으로 제작하려면 세 가지 부품 모두 3D 프린팅이 가능한 잉크 소재가 필요하다. 전극과 전해질 소재는 전 세계적으로 3D 프린팅용으로 연구가 활발히 진행되고 있지만, 전자를 뽑아내 이동할 수 있도록 연결해 주는 이차전지의 핵심 부품인 집전체 소재 개발은 더디게 이뤄져 왔다.
이 때문에 집전체 소재는 3D 프린팅 공정 대신 가격이 비싼 금을 표면에 증착하는 공정이나 빛으로 회로를 만드는 복잡한 패턴화 공정(리소그래피)으로 제작해야 하고, 소재의 전기전도성과 안정성에 한계가 있었다.
연구팀은 나노미터와 마이크로미터 크기의 니켈 입자, 소량의 고분자 소재 등을 혼합해 1000초분의 1 수준으로 빛을 쬐어 전기전도성을 높였다.
또한 니켈 입자와 다른 입자 간 환원반응을 통해 소재 표면에 전도성 보호층을 형성해 높은 전압에서 안정성을 오래 유지하도록 구현했다. 이렇게 개발된 소재를 마이크로 슈퍼커패시터에 적용한 결과, 기존 증착 공정이나 리소그래피 공정으로 제작한 소자와 비교해 동등한 수준의 높은 에너지 밀도를 보였다. 에너지 밀도가 높을수록 한 번 충전으로 전지를 오래 쓸 수 있다.이 소재는 가격이 매우저렴한 니켈 입자를 주재료로 활용하기 때문에 제조 단가가 낮고, 잉크의 점성을 적절히 조절하면 정교한 전지를 프린팅할 수 있다고 연구팀은 설명했다. 최영민 화학연 책임연구원은 "슈퍼커패시터를 넘어 고전압, 고전도성이 요구되는 다양한 이차전지에도 폭넓게 적용할 수 있는 인쇄용 금속 소재 기술로 널리 쓸 수 있을 것"이라고 말했다.
한편 이 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(6월호)' 표지논문에 실렸다.
이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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