사람 지문 폭보다 좁은 '초소형 전지' 나왔다

국내 연구진, 정밀 프린팅으로 초소형 축전기 제작... 사물인터넷 기기 배터리 사용시간 증가 기대

사람 지문의 폭만큼 작아 휴대용 사물인터넷 기기에 활용할 수 있는 ‘축전지(슈퍼커패시터)’가 국내 연구진 기술로 개발됐다. 4차산업혁명의 핵심 기술인 사물인터넷 산업 발전에 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

이상영 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀이 전자 부품들과 일체화할 수 있는 ‘칩 형상의 초소형 축전지(Microsupercapacitor)’를 개발했다고 10일 밝혔다. 제작과정을 프린팅 공정으로 단순화하고, 프린팅 정밀도를 높여 부품 손상 없이 일체형 초소형 전원 시스템을 완성했다.
 

이상영 교수(좌측)와 이권형(우측) 연구원.[사진=UNIST 제공]

초소형 축전지는 탄소 소재의 활성탄에서 전자가 붙고 떨어지는 현상을 이용해 전기를 저장하고 이를 사용하는 장치다. 리튬 이차전지에 비해 출력이 크고 수명이 긴 장점이 있다. 때문에 사물인터넷이나 웨어러블 기기의 배터리 사용시간 증가에 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

하지만 반도체 제작 공정 중 발생하는 열이나 화학물질에 의해 전자 부품이 손상될 우려가 있어, 전자 부품에 직접 초소형 축전지를 결합하는 것은 어려웠다. 잉크젯 프린팅으로 전자부품 위에 초소형 축전지를 결합하는 방식은 정밀도가 떨어지는 한계가 있었다.

이상영 교수팀은 ‘전기수력학 프린팅(Electrohydrodynamic jet-printing)’ 기법을 이용해 이 문제를 해결했다. 전극물질과 전해질을 잉크처럼 써서 부품 위에 찍어내는 것은 잉크젯 프린팅과 동일하지만, 정전기적 힘으로 잉크가 번지는 현상을 줄여 정밀도를 높였다. 일반 잉크젯 프린팅 기법은 잉크를 ‘뿜어내기’ 때문에 각 물질이 퍼지게 되는데, 정전기적 힘을 이용한 새로운 기법은 잉크를 ‘잡아당겨’ 번짐이 적다. 이 기법을 쓰면 선폭 1마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m)이하 까지 정밀하게 프린팅을 할 수 있다.
 

지문 폭만큼 작은 단위전지.[사진=UNIST 제공]

이권형 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "전기수력학 프린팅 기법으로 1제곱센티미터(㎠)에 단위전지를 54.9개까지 제작할 수 있었고, 같은 면적에서 65.9볼트(V)의 출력을 달성했다"고 밝혔다.

연구팀은 이 기법을 이용해 동전보다 작은 칩(0.8cm x 0.8cm) 위에 전지 36개를 만들고, 직렬 연결하는 데 성공했다. 이 전지들은 80도의 온도에서 정상 작동해 실제 전자 부품의 작동하는 과정에서 발생하는 고열에도 견딜 수 있음을 입증했다. 전지들은 병렬이나 직렬로 자유롭게 연결할 수 있어 소형기기에 맞춤형 전원 공급을 할 수 있다.

이상영 교수는 "IC 칩처럼 좁은 기판 위에 전지를 고밀도로 집적함으로써, 공간 제약 없이 전지 성능을 자유롭게 조절 가능한 기술"이라며 "좁은 공간에 전지를 집적하는 기술은 초소형 축전지뿐만 아니라 다른 전기화학 시스템과 장치에도 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다.