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3D프린터로 배터리 모양 자유롭게 만든다

2018년 12월 20일 13:35
이미지 확대하기KAIST 제공
3D 프린팅 기술로 원하는 모양으로  아연이온 배터리를 만드는데 성공했다. -KAIST 제공

스마트폰과 태블릿PC, 자동차에 들어가는 배터리는 대부분 원형이나 사각형을 띤다. 제작 공정을 원활하게 하기 위해 형태를 일정하게 제한한 것이다. 다양한 웨어러블 기기가 등장하면서 전기를 공급하는 배터리 형태도 함께 더 다양해져야 한다는 지적이 나온다. 

 

KAIST 신소재연구공학과 김일두 교수와 미국 하버드대 연구진은 19일 사물을 입체로 찍어내는 3D 프린팅 기술을 이용해 다양한 형태의 배터리를 만드는 방법을 개발했다고 밝혔다.

 

연구진은 다양한 형태를 띠는 배터리를 만들기 위해 전하를 운반하는 리튬이온 대신 아연이온을 사용하는 배터리를 개발했다. 배터리는 양극의 집전체, 양극과 음극 활물질, 분리막, 전해질 로 구성된다. 음극활물질은 전도성이 뛰어난 구리를, 양극활물질은 금속 이온을 쓰는데 여기서 양극활 물질로 리튬이온 대신 아연이온을 사용한 것이다.

 

아연이온은 리튬이온보다 대기 중 수분이나 산소와 만나도 안정성이 뛰어나다. 리튬이온과달리 상온에서도 제작 공정을 진행할 수 있다. 연구진은 3D 프린팅 기술로 아연이온 배터리 공정을 설계한 다음, 반지 형태나 대문자 알파벳 H, U자 등 원하는 모양으로 제조하는데 성공했다.

 

연구진은 아연이온 배터리가 리튬이온 배터리보다 안정성이 높다고 설명했다. 리튬이온 배터리는 이온의 통로가 되는 전해질로 인화성이 높은 유기 용매를 쓰지만 아연이온 배터리는 물을 전해질로 쓰기 때문이다.

 

연구진은 고속 충·방전이 가능하도록 탄소 섬유를 양극의 집전체로 사용했다. 한국화학연구원과 함께 소형 인체 착용형 광센서 반지에 3D 프린팅으로 제작한 아연이온 배터리를 적용해 정상 작동시키는데도 성공했다.

이미지 확대하기반지모양의 광센서에 적합한 배터리를 만들어 적용한 모습이다-KAIST 제공
반지모양의 광센서에 적합한 배터리를 만들어 적용한 모습이다-KAIST 제공

김일두 교수는 “수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기 환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있다”며 “3D 프린팅을 활용하면 고객 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있다”고 말했다. 초소형 마이크로 로봇의 외형에 잘 맞는 전력 장치나 특이한 디자인의 소형 전자소자의 에너지 공급장치로 사용할 수 있다는 것이다.

 

이번 연구는 미국화학회가 발간하는 나노 분야 국제학술지 ‘ACS 나노’ 12월호에 게재됐다.

 

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