[미래의 농어촌] '휘어지는 종이 배터리' 원천기술 세계 최초 개발

산림과학원·울산과기大 "둥글게 마는 디스플레이, 입는 전자소자 등 활용범위 무궁무진"

산림과학원이 세계 최초로 개발한 종이 배터리 [사진=산림과학원 제공]

아주경제 김선국 기자 =우리나라 과학자들이 휘어지는 종이배터리(플렉시블 종이 리튬이온전지) 원천기술을 세계 최초로 개발했다. 이 원천기술은 30조원에 달하는 리튬이온전지 및 분리막 시장에서 활용 범위가 넓어 세계 각 국이 앞다퉈 개발하고 있는 것으로 알려졌다.

산림청 국립산림과학원과 울산과학기술대학교는 나무에서 추출한 셀룰로오스로 제조한 나노종이 분리막과 전극을 이용해 종이처럼 휘어지는 배터리를 만드는 원천기술을 세계 최초로 확보했다고 30일 밝혔다.

나노종이는 종이의 원료인 셀룰로오스의 입자를 나노 크기로 분쇄해 만든 새로운 형태의 종이로 다공성의 유연한 종이를 말한다. 분리막은 리튬이온전지의 음극(-)과 양극(+)을 나누는 얇은 막으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 플라스틱 소재를 이용한다. 

리튬이온전지와 이 전지에 포함되는 분리막의 세계시장 규모는 지난해 기준 각각 22조원, 2조원에 달한다. 시장규모는 2018년까지 160% 증가할 것으로 예상되고 있다. 이런 가운데 ‘휘어지는 종이 배터리’는 최근 첨단 분야로 각광받고 있는 둥글게 말 수 있는 롤업(Roll-up) 디스플레이와 옷처럼 입을 수 있는 전자소자 등 다양한 디자인으로 활용 가능하기 때문에 세계적으로 주목 받을 것으로 전망된다.

휘어지는 종이배터리[사진=산림과학원 제공]

종이 배터리는 나무에서 추출한 나노종이 분리막으로 기존의 플라스틱 분리막을 대체하기 때문에 전극 간 계면이 안정적이고 기계적 물성 확보가 가능하다. 특히 외부 압력에 의한 형태 변형에서도 전지 성능을 구현할 수 있어서 여러 전기화학 소자로 다양하게 활용될 수 있다.

반면 기존의 리튬이온전지는 음극과 양극에 들어가는 바인더(Binder, 접착제)가 전극의 전자전도도뿐만 아니라 에너지 밀도까지 감소시켜 물리적 유연성이 부족하고 생산비용도 많이 드는 단점이 있었다.

산림과학원이 개발한 종이 배터리[사진=산림과학원 제공]

이선영 산림과학원 박사는 “플렉시블 종이 리튬이온전지의 나노종이 전극 일체형 분리막은 나무에서 얻은 천연재료로 기존 이온전지의 분리막 소재인 다공성 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 전극을 완전히 대체할 수 있는 원천 기술”이라면서 “이제 종이 배터리라는 꿈의 기술에 첫발을 내디뎠다”고 의미를 강조했다.

이상영 울산과기대 교수는 “전지의 형태 변형으로부터 유발될 수 있는 전지 발화 및 폭발 등의 위험을 억제시켰다”면서 “별도의 바인더를 필요로 하지 않기 때문에 이온전도도 및 전자전도도가 우수해 고용량 및 고출력을 구현할 수 있다”고 설명했다.

한편, 종이 배터리는 국립산림과학원과 울산과학기술대학교의 공동 연구로 개발된 국내 순수 원천기술이다. 이번 연구는 나노 분야의 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 인터넷 판에 9월16일 게재됐다. 이번 성과는 산림과학과 에너지공학이 협업(協業)으로 이룬 창조경제의 성공모델이라는 평가를 받고 있다.

산림과학원과 울산과기대는 세계 최초로 나노셀룰로오스로 만든 전극과 분리막을 일체화시킨 3차원 구조의 플렉시블 종이 배터리를 개발하고 상용화하는 공동 연구를 계속 추진할 계획이라고 밝혔다.