[아이뉴스24 박종수 기자] 실처럼 유연하게 휘어지는 섬유형 배터리는 복잡한 곡면을 따라 배치하거나 좁은 공간에 넣을 수 있어 웨어러블 전자기기와 형태 일체형 전원을 구현할 차세대 기술로 주목받고 있다.
특히 휴머노이드 로봇을 비롯한 피지컬 AI(Physical AI) 기기에서는 기존에 배터리를 넣기 어려웠던 유휴 공간까지 전원 배치에 활용할 수 있다.
이러한 가능성을 실현하려면 반복적으로 휘거나 변형되는 환경에서도 높은 성능을 안정적으로 유지하면서, 실제 기기에 적용할 수 있는 길이로 제조할 수 있는 섬유 전극이 필요하다.
전북대학교 김정길 교수(이차전지공학과)와 KIST 전북분원 정현수·김남동 박사, 한국과학기술원 이진우 교수, 강원대학교 임형규 교수 공동연구팀이 이러한 과제 해결에 나섰다.
연구팀은 섬유형 아연전지의 성능과 수명을 떨어뜨리는 덴드라이트 형성을 억제하는 동시에, 미터급 섬유형 아연 음극을 연속 제조하는 기술을 개발했다.
수계 아연전지는 물 기반 전해질을 사용해 화재와 폭발 위험이 낮아 섬유형 배터리에 적합한 후보로 꼽힌다. 그러나 충·방전 과정에서 음극 표면에 나뭇가지 형태의 아연 결정인 덴드라이트(Dendrite)가 자라면 전지의 효율과 수명이 저하될 수 있다.
특히 원통형 섬유 전극은 평면 전극보다 전기장과 이온 흐름이 불균일해지기 쉬워 이 문제에 더욱 취약하다. 기존 섬유형 아연전지의 길이가 대체로 10cm 안팎에 그쳤다는 점도 실제 전자기기와 직물에 적용하는 데 한계로 작용해 왔다.
연구팀은 먼저 산소 기능기를 도입한 탄소나노튜브를 높은 수준으로 정렬하고 치밀하게 집적해 복합 섬유 음극을 제작했다.
산소 기능기는 아연 이온이 안정적으로 흡착하는 활성점으로 작용하고, 나노튜브 사이의 미세한 골짜기 구조는 아연이 여러 위치에 고르게 증착되도록 돕는다.
이를 통해 덴드라이트 형성을 억제하고 수소 발생과 부식 반응을 줄였다. 개발한 음극을 섬유형 양극과 조합한 완전전지는 800회 충·방전 이후에도 초기 용량의 85%를 유지했다.
소재의 안정성을 확보한 데 이어 제조 길이의 한계를 극복하기 위한 연속 전기도금 시스템도 구축했다. 섬유 공급부터 사전 습윤, 아연 도금, 세척, 건조, 권취까지 하나의 연속 공정으로 연결해 균일한 아연 복합 음극을 생산하도록 설계했다.
연구팀은 이 공정으로 길이 1m의 섬유형 아연전지를 제작했으며, 반복 굽힘 시험에서도 1만 회 변형 후 초기 용량의 89.8%를 유지해 기계적 변형에 대한 안정성을 확인했다.
이처럼 전극의 성능과 제조 길이를 함께 확보하면서 다양한 형태의 기기에 적용할 가능성도 넓혔다. 연속 공정으로 제조한 미터급 섬유 전극은 용도에 따라 원하는 길이로 자르거나 직조·권취할 수 있어 스마트 의류, 웨어러블 센서, 전자피부, 구조 일체형 전자기기 등의 분산형 전원으로 활용할 수 있다.
앞으로 생산 속도와 전극의 균일성, 장기간 반복 변형에 대한 안정성을 더욱 높이면 휴머노이드 로봇의 관절 주변이나 프레임 내부처럼 기존 배터리를 넣기 어려운 공간으로 적용 범위를 넓힐 수 있다.
이는 피지컬 AI 기기의 공간 활용도를 높이고 에너지 자율성을 향상하는 데 기여할 것으로 기대된다.
전북대 김정길 교수는 “향후 연속 생산 공정기술을 고도화해 웨어러블 전자기기뿐 아니라 피지컬 AI 기기의 형태와 공간에 최적화된 전원 기술로 발전시키겠다”고 밝혔다.
KIST 김남동 박사는 “이번 연구는 섬유형 아연전지의 핵심 난제인 덴드라이트 성장과 제한적인 제조 길이를 소재와 공정 기술의 융합으로 동시에 해결했다는 데 의미가 있다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 에너지 재료 분야의 세계적 학술지 『Advanced Energy Materials』(IF=25.5, 상위 2.6%)에 게재됐으며, 후면 표지(Back Cover) 논문으로 선정됐다. 연구는 한국연구재단, KIST, 한국산업기술기획평가원, 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다.
/전북=박종수 기자(bells@inews24.com)