직물기반 이차전지 전극의 제작방법. (위) 금 나노입자를 단분자 유기물 분자와 교대 반복 적층시킴으로 폴리에스터 섬유위에 균일하게 코팅한다. 이를 통해 전기도금에 필요한 최소한의 전기전도성을 섬유에 부여한다. (가운데) 추가적인 알루미늄 전기도금을 통해 고전도성을 갖는 알루미늄 직물 전극을 제조한다. (아래) 제조된 알루미늄 전극 위에 30 nm 크기의 리튬인산철 나노입자와 유기물 분자와 교대 반복 적층시키고, 추가적으로 인듐주석산화물 나노입자와 유기물 분자와의 추가적인 삽입을 통해 최종적인 직물 기반 배터리 양극을 완성한다.[고려대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 웨어러블 전자기기 소자에 적용할 수 있는 알루미늄 집전체를 개발했다. 한국연구재단은 고려대학교 화학생명공학과 조진한 교수와 미국 조지아텍 이승우 교수 연구팀이 공동으로 쉽게 구할 수 있는 직물 소재에 금속 나노입자 코팅과 알루미늄 전기도금을 통해 고전도성 알루미늄 전극을 제조했다고 16일 밝혔다.

리튬이온 이차전지 배터리의 음극재와 양극재는 주로 구리와 알루미늄 박막 필름 위에 코팅하지만, 최근에는 많은 기공을 가진 전도성 직물 위에 코팅해 단위면적당 더 많은 에너지 물질을 도입, 배터리 성능을 향상시키위한 노력이 전개돼왔다.

그러나 직물 내부까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하기 어렵고 특히 알루미늄 직물은 그 기술적 어려움으로 인해 보고되지 않은 상황이다.

넓은 표면적을 갖는 금속 직물은 배터리 전극 외에 다양한 에너지 및 센서 전극으로 사용될 수 있어 중요하다.

연구팀은 배터리 전극용 고전도성 금속직물 제조를 위해, 폴리에스터 섬유 위에 금속 나노입자를 균일하게 도포했다.

리고 널리 사용되는 전기도금 방식을 통해, 금속 직물을 손쉽게 구현했다. 무전해 도금 또는 탄소나노튜브 등을 이용해 전도성 직물을 제조한 기존 방법에 비해 직물의 전기전도도 및 코팅의 균일도 및 기계적 유연성 등이 향상됐다.

더 나아가 금속 산화물 나노입자와 금속 나노입자의 교대 코팅을 통해 높은 단위면적당 에너지 밀도와 빠른 충·방전 속도를 얻었다.

또한 배터리 양극재로 쓰이는 리튬인산철을 30nm 크기로 매우 균일하게 유기용매에 손쉽게 분산되도록 합성, 이를 통해 금속 직물 내부 깊숙이 스며들도록 유도함으로써 단위면적당 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있었다.

또 전도성을 갖는 인듐주석산화물(ITO) 나노입자와 교대 적층을 통해 빠른 충방전 속도를 구현시킬 수 있었다.

조진한 교수는 “향후 실용화를 위해서는 경제적인 금속직물 제조공정과 금속 나노입자 적층시간 단축방안, 그리고 고성능 직물전극 제조방안 등에 대한 추가 연구가 필요하다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 응용물리 분야 국제학술지 ‘어플라이드 피직스 리뷰’ 2월 18일 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com