<특집>종이배터리 기술의 진화

나무-최첨단기술의 융합...리튬이온전지 세계 첫 개발
민경범 | valen99@hanmail.net | 입력 2015-12-07 17:07:23
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2020년 64조원 시장 규모 원가 절감-소재 차별화 기여

 

세대 배터리 산업을 이끌어 갈‘ 종이배터리’ 원천 기술이 국내 연구진에 의해 확보됐다.  

 

나무를 이용한 플렉시블 종이 리튬이온전지 개발을 위한 원천기술이 세계 최초로 확보된 것이다.


이로 인해 리튬이온전지와 웨어러블 기기 시장의 세계화를 향한 노력이 한 발 앞당겨 질수 있는 청신호가 됐다.

 

배터리의 초경량화를 위한 연구는 지난 2012년부터 국립산림과학원 이 추진해왔다. 이번 원천기술은 지난 2014년에 발표된 것 보다 한 층 업그레이드 된 것으로 ‘종이배터리’의 주요 기술에 대해 조명해 본다.


기존 전지보다 3배 이상 오래 써

국립산림과학원 이선영 박사팀과 울산과학기술원 이상영 교수팀이 공동연구를 통해 미래형 배터리인 ‘차세대 종이배터리’를 만드는 원천기술을 세계 최초로 확보했다.


국내 연구진이 공동 수행한 이번 연구는 나무에서 추출한 나노셀룰로오스 (Nanocellulose)를 이용하여 리튬이차 전지의 전극과 분리 막을 제조함으로서 종이학을 접을 수 있을 정도의 유연성을 확보함은 물론 전지용량까지 3배 이상 증가시키는 성과를 냈다.

△종이배터리로 학을 접어 종이배터리만의 유연성을 보이며 전구

에 불을 밝히고 있다.  

 

국립산림과학원이 휘어지는 ‘종이배 터리’ 기술개발에 처음 뛰어든 것은 지난 2012년부터로 이번 기술은 지난 2014년 9월에 발표된 것보다 한층 더 업그레이드 기술이다. 


현재 이 기술은 국내 및 국제 특허 출원을 마친 상태로 지난 10월 12일자로 나노재료 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 표지논문으로 게재돼 연구결과의 중요성을 인정받았다.


먼저 셀룰로오스는 식물체 세포막의 주성분으로 섬유소라고도 부른다.


나노셀룰로오스는 자연에서 얻을 수 있는 재생 가능한 고분자 물질로서, 목재에서는 약 35∼40%를 차지하고 있다.
또한 우수한 기계적 강도와 낮은 밀도, 생분해성 등의 장점을 갖고 있다.

 

나노셀룰로오스는 이러한 셀룰로오스로부터 기계적 처리방법을 통해 얻을 수 있다. 지름이 수백 나노미터에 불과한 초극세 섬유로써 꿈의 첨단 소재라고 불리기도 한다.


자연이 만들어 낸 천연 나노소재인 나노셀룰로오스는 현재 그 활용 가능성에 이목이 집중되고 있다. 이미 전 세계적으로 전기·전자재료, 생체의학재료, 나노복합재료 등에 이용되고 있다.


웨어러블 기기 시장 청신호
2014년 기준 리튬이온전지 세계시장은 약 23조원으로 추정되고 있는 가운데 2020년에는 64조원까지 증가할 전망이다.


이번 원천기술이 상용화되면 전 세계 차세대 리튬이온전지 시장을 선도할 수 있을 것으로 기대되고 있다.


원천기술이 수요 증가의 가장 큰 이유는 중대형 이차전지의 수요 증가 때문이다. 특히 친환경자동차로 주목 받고 있는 전기자동차의 리튬이온전지 시장은 2014년 기준 5조7000억 원에서 2020년에는 15조8000억 원으로 연평균 20%씩 성장할 전망이다.


또한, 시계 형태로 이미 상용화가 이루어진 웨어러블 기기 시장도 2015년 6조 2000억 원에서 2020년에는 15조원으로 두 배 이상 성장할 것으로 예측되고 있다.


웨어러블 기기란 스마트폰이나 태블릿과 무선으로 연동해 사용하는 안경이나 손목시계, 밴드형 기기를 일컫는 말로 웨어러블은 착용할 수 있는 모든 것이 본래의 의미이다.


미국의 경우 국민 5명중 1명은 웨어러블 기기를 착용하고 있을 정도로 웨어러블 기기 시장의 가치는 계속 증가세를 보이고 있다. 또 중국 또한 관심을 가지면서 고속성장을 전망하고 있다.


우리나라도 웨어러블 기기 시장의 세계화를 이루기 위한 다각적인 투자와 노력을 보이고 있다. 최근 전자부품연구원(KETI)에 따르면 삼성전자가 전 세계에서 웨어러블 기기 관련 특허를 가장 많이 보유한 기업인 것으로 나타났다.

 

또 LG전자는 4위에 오른 것으로 조사된 가운데 국내 중소기업들도 웨어러블 기기들의 틈새시장 및 특정 소비자 공략을 위해 제조되어 오고 있다.

 
이와 더불어 대형 제조업체(애플, 나이키, 구글 등)들이 웨어러블 기기 시장에 본격적으로 진출하고 있어 국내 시장도 눈에 띄게 성장세를 보여주고 있는 분야이기도 하다.


이밖에도 전자산업 분야에서 감을 수 있는 롤업(Roll-up) 디스플레이, 입을 수 있는(wearable) 전자소자 등 다양한 디자인으로 활용 가능한 휘거나 접을 수 있는 리튬이온전지에 대한 필요성이 부각되고 있다.


세계적인 주목을 받는 이번 원천기술은 현재 쓰이고 있는 리튬이온전지가 변형에 취약한 금속 전극 집전체와 기공도가 낮은 석유화학소재 분리 막으로 만들어진 것과 달리 새롭게 개발된 종이배터리는 유연성과 기공도가 높은 나노셀룰로오스 소재로 전극과 분리 막을 대체함으로써 다양한 형태와 높은 용량을 실현할 수 있다는 것이다.


특히 이번 성과는 서로 다른 학문 분야인 산림과학과 에너지공학의 융합을 통해 창출한 연구 결과로서 창조경제를 위한 하나의 성공적인 모델로 인정받고 있다.

 

연구진이 개발한 종이배터리는 차세대 로봇공학에서도 쓰여질

전망이다.  

친환경 재료로 이차전지 수준 높여
국립산림과학원 목재가공과 이선영 박사는 “전지 핵심 구성 요소인 분리 막과 전극에 나무에서 쉽게 얻을 수 있는 친환경·저가 재료를 활용했다는 점에서 전지 원가 절감 및 소재 차별화에 기여할 수 있다”고 강조했다.


공동연구자인 울산과학기술원 이상영 교수는 “자연에서 쉽게 구할 수 있는 나무로부터 얻은 소재를 이용하여, 기존 전지에서는 도달하기 힘든 높은 수준의 성능 및 유연성을 구현한 점에서 국내 이차전지 수준을 한 단계 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.


상업화된 리튬이온전지는 정형화된 케이스에 필름 형태의 양극-분리 막-음극(3장)을 차례로 포갠 후 전해액(전해질 용액)을 주입하여 만든다.


기존 전극은 금속 집전체 위에 활물질 및 도전제가 고분자 바인더에 의해 물리적으로 부착되어 있는 형태로, 외부로부터 심한 응력을 받을 경우 그 구성 물질들이 쉽게 떨어져나가거나 변형이 일어나는 문제점을 안고 있다.


고두께·고용량 전극 만들어
또한, 기존 폴리올레핀(polyolefin) 계열 분리 막은 낮은 기공도로 인해 이온전도도가 높지 못하며, 열적 안정성이 취약해 전지 안정성 확보에 많은 한계를 보이고 있다.


반면 나노셀룰로오스를 이용해 개발한 종이배터리는 나노셀룰로오스 섬유가 전극 구성 물질들(전극 활성물질 및 탄소나노튜브)을 3차원적으로 둘러쌓음으로써, 금속 집전체 및 바인더가 없는 상태에서도 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있었다.


또한, 나노셀룰로오스 분리 막을 만듦으로써 높은 기공도 확보가 가능했을 뿐만 아니라 우수한 이온전도도를 얻을 수 있었다. 이러한 나노셀룰로오스를 기반으로 한 구조적 특징으로 인해, 기존 리튬이온전지 대비 3배 이상의 용량 향상이 가능했다.


특히 금속 집전체를 제거함으로써 다층 구조 전극을 만들 수 있었고, 이를 통해 기존에는 도달하기 힘든 높은 수준의 고두께·고용량 전극을 쉽게 만들 수 있었다.


이밖에도 이러한 전지 성능 향상 외에, 쉽게 접히는 종이의 특성을 이용하여 종이학 수준으로 접을 수 있는 전지를 만들 수 있었다고 연구진은 전하고 있다.


더불어 연구팀은 원천기술을 이용한 배터리가 제품화되기까지는 여러 단계가 필요하다며 실험실에서 안정된 도출 결과가 나오기까지 반복된 실험을 해야 할 것이라고 밝혔다.


한편, 연구팀의 전지성능도 안정적이고 자유자재로 휘어지는 종이배터리 개발에 대해 누리꾼들은 ‘배터리 산업의 대박’이라며 우리 과학이 선진국 보다 앞서 웨어러블 시장을 이끌어가길 기대한다는 반응을 보였다.

[환경미디어 민경범 기자]

 

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