미래창조과학부(장관 최양희)는 7월 31일 기존 플랙서블 전지 충전에 1시간 걸리던 것을 10분 이내에 고속충전이 가능하고 전지 두께도 1mm 이내로 얇게 만드는 플랙서블 이차전지 원천기술을 국내 연구진이 개발했다고 밝혔다. 이번 성과로 인해, 향후 얇고 가벼우면서도 충전이 빠른 고성능 플렉서블 이차전지의 상용화 시기를 크게 앞당길 것으로 보인다.
울산과학기술대학교(UNIST)의 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀의 이번 연구는 미래창조과학부 신기술융합형성장동력사업의 지원을 받아 수행하였으며, 해당 연구결과는 나노 레터스(Nano Letters) 7월호에 게재됐다.
최근, 플렉서블 디스플레이, 스마트 시계, 웨어러블 PC와 같은 신개념 플랙서블 전자 기기에 대한 관심과 수요가 크게 급증하고 있지만, 이러한 전자기기에 적용할 플렉서블 전지의 개발 수준은 뒤쳐져 있는 실정이다.
플렉서블 전지가 상용화 되기 위해서는 기존 전지 수준의 성능을 내야 하며, 동시에 자유롭게 구부러지고 펴지는 유연성도 함께 보장되어야 한다. 즉, 수백번의 구부림 테스트(휨강도 테스트)를 반복하면서도 현재 사용되는 전지가 요구하는 특성을 만족하여야 한다.
조재필 교수팀은 리튬 이차전지의 핵심 요소인 전극 소재와 집전체에 나노 기술을 적용하여 각각의 성능을 최적화함으로써 이와 같은 플렉서블 전지의 기술적 요구사항을 해결하였다. 우선, 양극소재로 현재 쓰이고 있는 리튬코발트산화물 대신 니켈산화물계를 사용하여 충전용량을 20% 향상하고, 바나듐이 함유된 복합 산화물 층을 양극소재 표면에 입혀 양극표면의 전자전도도를 2배 이상, 소재내부에서의 리튬이온의 이동도를 3배 이상 개선하였다.
음극소재는 대부분 천연 흑연을 사용하지만 높은 에너지 밀도를 구현하기는 불가능하다. 이를 해결하기 위해 전자전도도가 13배 이상 높은 팽창흑연 표면에 10나노미터(nm) 이하의 비정질 실리콘 나노입자들을 균일하게 코팅한 결과 기존 흑연 대비 용량이 약 60% 향상되었다. 또한, 오랜 시간 전지를 사용해도 집전체가 단락되지 않도록 하기 위해 집전체 표면을 나노구조 벌집 모양의 형태로 식각한 결과, 접착력이 약 1.7배 향상되었다. 이와 같이 성능이 향상된 양극, 음극 소재 및 집전체를 이용해 두께 1mm이하의 최적화된 전지를 구성한 결과, 기존 플랙서블 전지가 1시간 걸리는 것에 비해 10분 만에 100% 충전이 가능함을 확인하였다. 또한, 구부림 테스트에서 200사이클이 진행되는 동안에도 안정적인 수명 특성이 유지됨을 확인하였다.
조재필 교수는 “본 연구에서 개발된 플렉서블 이차전지는 고속 충전이 가능하고, 극심한 구부림 테스트에서도 우수한 충・방전 특성을 구현하였기 때문에 향후 플렉서블 디바이스 시대를 앞당기는데 크게 기여할 것’이라고 연구 의의를 밝혔다. 미래부 박재문 연구개발정책실장은 “앞으로도 미래부는 새로운 산업을 견인할 수 있는 우수한 연구성과가 사장되지 않고 상용화로 이어질 수 있도록 정책적 노력을 다할 것’이라고 강조했다.
[ 연 구 결 과 개 요 ]

1. 연구 배경
최근 플렉서블 디스플레이, 스마트 시계, 웨어러블 PC 등 신개념 스마트 전자 기기에 대한 관심과 수요가 크게 급증하고 있다. 그러나 웨어러블 전자 장치의 다른 요소들에 비해 실질적으로 장치 구동에 핵심이 되는 전지의 개발 수준은 뒤쳐져 있는 실정이다. 플렉서블 디바이스용 전지로 적용되기 위해서는 플렉서블 디바이스에 부응하는 전지의 유연성과 안전성을 충분히 보장할 수 있어야 할 뿐 아니라 전지 성능 또한 현재 상용화 수준으로 보장되어야 한다. 현재까지 박막전지, 케이블 전지 등 웨어러블 전자 장치의 전지로 사용하기 위한 신개념 전지들이 연구되어 오고 있으나 이들 전지와 더불어 새로운 플렉서블 이차전지 개발을 위해 양극, 음극 전극 물질 및 집전체, 분리막 등 전지 각각의 최적화된 설계가 필요하고이를 통하여 고속 충전 및 고에너지 특성을 보유한 고성능 플렉서블 이차전지 개발이 반드시 필요한 시점이다.

2. 연구 내용
본 연구 결과는 이러한 현 시점을 배경으로 분리막을 제외한 각각의 전지 요소들에 대한 성능을 향상시켜 이들을 최적화 하는 방안을 연구 개발하여 고성능 플렉서블 전지의 실현 가능성을 보여준 것이다.
먼저 양극 소재와 관련하여 스마트 전자 기기의 장시간 사용이 요구되는 추세에 따라 현재 휴대폰용 이차전지(1, 2세대)에 사용되는 리튬코발트산화물(LiCoO2)대신 용량이 20% 높은 니켈(Ni)계 양극 물질을 사용하였다. 그러나 니켈계 양극 물질 제조시 양극물질 표면에 생성되는 불순물로 인하여 저항이 높아지면서 출력 특성이 저하되는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 바나듐(V)이 함유된 산화물층을 표면에 입혀줌으로써 표면에 생성되는 불순물을 제거하여 표면을 안정화 시켰다. 이 양극 물질을 분석한 결과 양극 표면에서는 전자 전도도가 약 2배 이상 개선되고, 입자 내부에서의 리튬이온의 이동도가 3배 이상 개선되는 결과를 얻었다. 이러한 결과를 바탕으로 전지 평가를 진행한 결과 10분 충전 시 100% 충전이 가능함을 발견하였다. 
음극소재의 경우 대부분 천연 흑연을 사용하지만 사용 가능한 용량대가 낮아 고에너지 밀도를 구현하기는 불가능하다. 이런 문제점을 해결하기 위해 전자 전도도가 13배 이상 높은 팽창흑연 표면에 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 10nm이하의 비정질(amorphous) 실리콘 나노입자들을 균일 코팅을 하였고, 전자 전도도가 상당히 뛰어난 팽창흑연을 기반으로 실리콘 나노 입자가 형성되었을 뿐 아니라 실리콘의 입자도 10nm이하로 상당히 작기 때문에 전자전달의 거리 및 리튬이온의 이동거리가 감소하여 고속 충전을 가능하게 한다. 또한 실리콘의 함유량이 약 10% 정도 되기 때문에 기존의 흑연 대비 용량이 약 60% 증강되어 고에너지 및 고속 충전이 가능케 되었다. 또 양극 및 음극물질의 합제층을 지지하는 집전체는 이미 상용화되고 있는 알루미늄 박막, 동박 표면에 나노구조 벌집 모양의 형태로 식각하여 활물질과의 접착력을 기존보다 약 1.7배 증대시켜 플렉서블 전지 구동에도 활물질과 집전체가 단락되지 않도록 집전체 식각 기술을 적용하였다. 전체적으로 특성이 향상된 양극, 음극 소재 및 집전체를 이용해 최적화된 전지를 구성하여 전지 특성 평가를 시행하였다. 기본적으로 리튬이온전지의 충전은 양극 물질이 가지고 있는 리튬이온이 음극물질로 들어가면서 일어난다. 이때, 양극과 음극 물질이 서로 빠르게 리튬이온과 전자를 주고받을 수 있어야만 고속 충전이 가능하다.
기존의 전지(1, 2세대)들은 사용가능한 용량의 90%이상 충전되기 까지 저속 충전으로 1시간 이상의 시간이 소요되고, 전지에 사용되는 양극과 음극 물질로는 고속 충전을 하기에는 다소 무리가 있다. 하지만 금번 연구진이 개발한 새로운 고성능 플렉서블 전지의 경우 기존에 보고된 전지와는 달리 10분 이내에도 완충전이 가능한 고속 충전 특성을 보였고, 또한 구부림 테스트에서도 200사이클이 진행되는 동안에 안정적인 수명 특성이 유지됨을 보였다.

3. 기대효과
이번 연구에서 개발된 고에너지, 고속 충전이 가능한 고성능 플렉서블 이차전지는 수분 이내의 짧은 시간 동안에도 충전이 가능하고, 극심한 구부림 테스트에서도 우수한 충/방전 사이클 특성 구현이 가능하다.
따라서 향후 플렉서블 디바이스 시대를 앞당기는 데 큰 기여를 할 것으로 기대되고, 또한 플렉서블 디바이스 뿐 아니라 전기 자동차나 중대형 에너지 저장 장치에도 적용이 가능할 것으로 기대되며, 플렉서블 전지의 세계 최고의 성능을 보유하게 되어 국내외 시장 기술개발의 핵심적인 역할을 수행할 것으로 기대된다. 또 상대적으로 저가의 전극물질을 사용하기 때문에 저비용으로 고성능의 플렉서블 이차전지를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.

그림 1. 충전 시간 10분 동안 각 세대별 전지의 충전량
10분의 충전 시간이 주어졌을 때 각 세대별 전지의 충전되는 용량을 보여주는 것으로 1, 2세대의 경우 10분 충전 시 충전되는 용량이 전지용량의 절반에도 못 미치고 있으나, 3세대 플렉서블 전지의 경우 10분 충전에도 100% 완충이 가능함을 나타내고 있다.

그림 2. 새로운 플렉서블 이차전지의 구성 개념도
플렉서블 이차전지를 구성하는 양극, 음극 물질 및 집전체에 대한 실제 사진과 이미지 및 이들 구성요소에 관한 설명을 나타낸다.

조재필 교수
1986～1990  경북대학교 무기재료과 학사
1990～1992  미국 아이와 주립대학교 세라믹공학과 석사
1992～1995  미국 아이와 주립대학교 세라믹공학과 박사
1995～1996  미국 조지아 공대 박사후 연구원
1996～2002  삼성 SDI 책임연구원
2002～2008  금오공과대학교/한양대학교 교수
2009～현재  울산과학기술대학교 에너지 및 회학공학부 교수/학부장