496 Polymer Science and Technology Vol. 31, No. 6, December 2020 그림 1. 연신성 전극 개발 모식도.
그림 2. (a) 리튬 이온 전도성 초고분자 구조, (b) 초고분자의 연신에 따른 리튬이온 거동 매커니즘, (c) 고분자 전해질과 바인더 계면 결합 모식도와 주사 현미경 단면 사진.
고분자 복합재료 기반 연신성 전극 연구
플렉서블(flexible) 및 웨어러블(wearable) 전자소자의 개발이 가속화되면서 변형이 가능한 전자 소재에 대한 관심 이 증대되고 있다. 이를 실현하기 위해서는 물리적 변형에 서도 안정적으로 전기 전도도를 유지할 수 있는 연신성 전 극에 개발이 필수적이다. 그러나, 기존의 보고된 연신성 전 극은 단순히 기판 위에 전도층을 패턴화 시키거나 유연한 기판을 주름지게 하는 방법으로 공정이 복잡하고 도포된 표 면에만 전기가 흐르는 한계로 상용화하기에는 어려움이 있 다. 그에 반해 고분자 복합재료는 본질적으로 연신이 가능 한 재료를 만들 수 있을 뿐만 아니라 공정이 간단하여 대량 생산이 가능한 장점을 가지고 있지만, 여전히 물리적 변형 성과 전기 전도도의 상충관계(trade-off relationship)를 해 결하지 못하였다.
본 연구에서는 고무탄성을 갖는 폴리우레탄(polyurethane) 과 전도성이 우수한 금 나노입자를 간단하게 전기 인력을 통해 혼합하는 방식으로 금속처럼 전기가 통하면서 고무줄 처럼 늘어나는 연신성 전극을 개발하였다. 연구진은 폴리우 레탄과 금 나노입자의 비율이 다른 두 종류의 복합체를 번
갈아 쌓아 전극의 표면에서뿐만 아니라 위에서부터 아래까 지 수직 방향으로도 전기가 흐르도록 하여 신축성과 안정적 인 전기전도도를 동시에 확보 가능함을 보고하였다. 또한, 개발된 연신성 전극을 스트레쳐블(stretchable) 이차전지의 연신성 집전체로 사용하여 그 활용성을 보고 하였다.
본 연구결과는 “Stretchable Batteries with Gradient Multilayer Conductors”라는 제목으로 2019년
Science Advances
에 게 재되었다.<M.Gu
et al., Sci. Adv., 5, eaaw1897 (2019), DOI: 10.1126/sciadv.aaw1879>
유연성 이차전지를 위한 이온 전도성 초분자 연구
몸에 착용하는 웨어러블 디바이스를 구현하기 위해서는 신축성 있는 전원소자가 필요하다. 다양한 전원 소자 중에 서도 리튬 이온을 기반으로 하는 리튬 이온 이차전지 (lithium-ion batteries)는 다른 전원 소자와는 다르게 높은 에너지 밀도와 안정적인 수명특성 갖는 전원 소자이다. 리 튬 이온 이차전지를 웨어러블 디바이스에 사용하기 위해서
고분자 과학과 기술 제 31 권 6 호 2020년 12월 497 그림 3. (a) 섬유형 징크-실버 이차전지 전기화학 성능, (b) 섬유형 징크-실버 이차전지와 태양 전지와의 통합 사진.
는 높은 이온 전도도와 물리적 안전성을 갖는 이차전지 소 재의 개발이 필요하다. 특히, 물리적인 변형에서 전극과 전 해질의 탄성계수(elastic modulus) 차이에 의해 유발되는 전극 활 물질 탈리 현상은 이차전지의 전기화학적 성능을 급속하게 저하시키는 문제를 야기한다.
본 연구에서는 물리적 안전성과 이온 전도도의 상충 관 계를 초분자(supramolecular)설계를 통해 효과적으로 조절 하여 웨어러블 디바이스에 사용 가능한 유연성 리튬 이온 이차전지를 개발하였다. 개발된 초분자 고분자 전해질은 리 튬이온 전도도를 제공하는 낮은 유리전이온도(
T
g)의 polyether 와 물리적 안전성을 부여하는 2-ureido-4-pyrimidone(UPy) 로 구성되어 상온에서 높은 이차전지 성능을 보여준다. 또 한 개발된 고분자 소재를 전해질 뿐만 아니라 바인더로 사 용하여 전극과 전해질 계면에서의 안전성을 확보하여 70%연신에서도 안정적인 이차전지 성능을 보여주었다.
본 연구결과는 “Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity in supramolecular lithium ion conductors”
라는 제목으로 2019년
Nature Communication
에 게재되었다.<D. G. Machanic
et al., Nat. Commun., 10, 5384 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-13362-4>
웨어러블 디바이스를 위한 와이어형 이차전지 연구
선형의 파이버 또는 와이어 형태의 디자인을 갖는 이차 전지는 웨어러블 디바이스와의 통합이 용이할 뿐만 아니라 변형에서의 물리적 안전성을 확보할 수 있기에 많은 연구가 진행되고 있다. 파이버 구조를 기반으로 한 다양한 이차전 지 시스템 중에서 징크(zinc)와 실버(silver) 메탈을 음극/
양극으로 사용하는 징크-실버 전지는 높은 에너지 밀도와
본질적인 안전성으로 인하여 웨어러블 디바이스용 전원 소 자 시스템으로 각광받고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불 구하고, 낮은 수명특성은 징크-실버 이차전지의 잠재력을 제약하고 있다.
본 연구에서는 스프링(spring) 형태의 집전체에 징크를 전해도금법으로 입히고 polyvinyl alcohol(PVA) 고분자 전 해질과 실버를 감싸서 섬유형 징크-실버 이차전지를 개발 하였다. 연구진이 제안한 징크-실버 전지는 100싸이클 이 상의 안정적인 수명 특성과 높은 에너지 밀도를 가지며, 1만 회 이상의 반복적인 구부림에서도 초기대비 안정적인 전기 화학적 성능을 보였다. 또한 섬유형 이차전지를 탄성 중합 체(elastomer)와 혼합하여 100% 이상 늘어날 수 있는 전지 를 시현하였다. 또한, 개발된 징크-실버 이차전지를 태양 전지와 통합하여 사람 팔목에 감을 수 있는 웨어러블 형태 의 에너지를 생산하고 저장할 수 있는 독립적인 디바이스를 구현하였다.
본 연구결과는 “Flexible and stretchable power sources for wearable electronics”라는 제목으로 2017년
Science Advances
에 게재되었다.<A. M. Zamarayeva
et al., Sci. Adv., 3, e1602051 (2017), DOI: 10.1126/sciadv.1602051>
연신성 이차전지로 작동되는 독립형 전자 장치
자유 자재로 구부려 지거나 늘어나는 성질을 갖고 몸에 부착해 사용하는 웨어러블 디바이스(wearable devices)는 일상생활 뿐만 아니라 의료, 헬스케어 등과 같은 다양한 영 역에서 사용되고 있으며, 최근에는 다른 스마트 기기와의 연결을 통하여 빅 데이터 수집과 분석이 가능해짐에 따라
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그림 4. (a) 연신성 이차전지로 작동되는 독립형 전자 개발 모식도, (b) 다양한 변형 상태에서의 안정적인 구동을 보여주는 사진.
그 활용성이 더욱 더 주목받고 있다. 이러한 웨어러블 디바 이스를 구동하기 위해서는 유연성을 가지며 안정적으로 에 너지를 공급하며 반복적인 변형에서도 안전성을 확보할 수 있는 유연 전원소자(stretchable batteries)의 개발이 필요 하다.
본 연구에서는 박막형 수계 전해질 기반 연신성 리튬 이차 전지를 개발하였으며, 이를 연신성 인쇄 회로 기판(stretchable printed circuit board)로 응용하여 독립적으로 작동할 수 있 는 웨어러블 디바이스 플랫폼(wearable device flatform)를 개발하였다. 연신성 이차전지는 모든 구성품(전극, 분리막, 패키징)을 유연하게 제작하였으며, 수계 고분자 전해질을 사용하여 높은 충방전 특성과 안정적인 수명 특성을 확보하 였다. 개발된 연신성 이차전지 위에 리퀴드 메탈/고분자 복 합재료를 인쇄하여 단축 연신(>100%) 뿐만 아니라 다축 연
신(>125%)에서도 안정적인 전기적 성능을 유지할 수 있었 다. 본 연구 결과인 연신성 독립형 전자 장치는 딱딱한 전원 장치들을 분리해 연결했던 회로와 배터리를 모두 얇은 필름 형태로 제작하고 통합할 수 있어 웨어러블 디바이스 개발에 새로운 패러다임을 제시하였다는데 큰 의의가 있다.
본 연구결과는 “Stand-Alone Intrinsically Stretchable Electronic Device Platform Powered by Stretchable Rechargeable Battery”라는 제목으로 2020년
