[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 자유자재로 형태를 구현할 수 있는 디포머블(deformable) 디바이스의 필수요소인 늘어나는(stretchable) 배터리의 고질적인 전도성 저하 문제가 국내 연구진에 의해 돌파구를 찾았다.

28일 한국연구재단(이사장 노정혜)에 따르면 연세대 화학과 김병수·포항공대 화학과 박수진·미국 미시간대 니콜라스 코토브 교수 연구팀은 우수한 전도성을 지닌 유연하고 신축성 있는 전극과 배터리를 개발했다.

적층된 밀도구배 탄성전극 제조 : 폴리우레탄과 금나노입자를 다양한 조성비로 복합체를 형성시킨 뒤, 전도성 층과 신축성 층을 번갈아가면서 진공 탈수 방식으로 계층 수 조절을 하며 적층시킨 뒤 밀도 구배된 탄성전극을 제조했다. 2019.07.28. [그림=연세대]

신축성 있는 전자기기에 쓰일 수 있는 늘어나는 전극에 대한 연구가 활발하지만 전극이 늘어나는 과정에서 전도층이 파열되면서 전도성이 떨어져 배터리의 용량 저하로 이어지는 것이 문제였다.

이를 극복하기 위해 기판 위에 전도층을 패턴화하거나 기판을 주름지게 하는 방법이 시도됐지만, 공정이 복잡하고 도포된 표면에만 전기가 흐르는 한계가 있었다. 연구팀은 문제해결을 위해 고무 탄성을 갖는 폴리우레탄(PU)과 전도성이 우수한 금 나노입자를 간단하게 전기적 인력을 통해 혼합하는 방식으로, 금속처럼 전기가 통하면서 고무줄처럼 늘어나는 전극을 제조했다.

공기청정기 필터에 먼지가 달라붙거나 머리카락이 풍선에 붙는 현상 등 일상에서 목격할 수 있는 전기적 인력을 이용한 비교적 단순한 공정이다. 그러면서 신축성은 유지하고 저항 값을 금속 수준으로 내렸다.

또한 폴리우레탄과 금 나노입자의 비율이 다른 두 종류의 복합체를 번갈아 쌓아 전극의 표면에서뿐만 아니라 위에서부터 아래까지 수직 방향으로도 전기가 흐르도록 만들었다.

나아가 개발된 신축성 전극을 리튬 이차전지에 적용해 배터리 길이가 30% 이상 늘어나는 물리적 변형에도 우수한 안정성을 나타내는 것을 확인했다.

김병수 교수는 "기존 신축성 전극과 달리 신축성과 전기적 전도 방향성에 제약받지 않기 때문에 다양한 용도에 맞게 정교한 조절이 가능하다ˮ고 의의를 설명했다. 박수진 교수는 "배터리 집전체뿐만 아니라 미래의 신축성 디스플레이와 전자기기에 응용될 것으로 기대한다ˮ고 평가했다.

연구결과는 미국과학진흥회(AAAS)에서 발행하는 저명한 학술지 `사이언스 어드벤시스(Science Advances)' 7월 26일자에 게재됐다.

kimys@newspim.com