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하이라이트

서론

최근에 유연성을 갖는, 특히 신축성을 갖는 에너

지 저장 장치가 주목 받고 있는 것은 두루마리형 디

스플레이(roll-up display)를 포함하여, 소위 착용가능

한 전자기기(wearable electronics) 산업의 비약적 발

전과 관계되어 있다. 의복과 같이 인체에 착용할 수

있는 전자기기는 필연적으로 유연성과 신축성을 필

요로 하며, 이러한 물리적 성질들은 이들 전자기기

의 구동을 위한 그 이차전지 및 전기화학 축전지에

서도 마찬가지 필요충분 조건이 된다. 그림 1에서 보

인 심박측정용 손목밴드나 스마트 수술 장갑의 예에

서 볼 수 있듯이, 신체착용 전자기기는 신축성 기초

소재와 전극 소재가 결합된 형태가 대부분이며, 단

순히 사용자 편의성 향상 측면뿐만 아니라 향후 도

래하게 될 유비쿼터스 환경에 반드시 필요한 전자부

품 및 소재이다.

이처럼 전지(ba t t e ry )나 전기화학 축전지

(‘electrochemical capacitor’ 또는 ‘supercapacitor’로 불

리움)처럼 에너지를 저장하는 부품과, 또한 에너

지를 생산하는 태양전지 중에서도 특히, 염료감응

형 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)는 공통

적으로 전기화학전지(electrochemical cell)를 그 기

본 구조로 한다. 전기화학전지는 최소 두 개의 전극

(electrode, 전자의 움직임으로 전류가 흐르는 상)이

하나의 전해질(electrolyte, 이온의 움직임으로 전류

가 흐르는 상)을 사이에 두고 전기적으로 이웃하고

있는 형태인데,1 전통적으로 전극은 고체상이고 전

해질은 액체상이다. 따라서 전기화학전지를 기반으

로 하는 전자부품이 유연성이나 신축성을 갖는다는

것은 기술적으로 어려운 일이었다. 하지만, 신축성

까지는 아니더라도, 그림 2에서 보인 바와 같이, 적

어도 유연성의 DSSC는 이미 소개된 바 있다.

이 글에서는 유연성 및 신축성 소재를 중심으로

하여 전기화학전지 구조를 갖는 에너지 생산 및 저

그림 2 유연성 염료감응형 태양전지. 두 개의 플라스틱 기질에 박막 금속 전극을 각각 코팅하여 유연성 전극을 구성하고 그 둘 사이에 겔형 전해질을 두었다. (이미지 출처: 각각 (http://www.wpafb.af.mil/shared/media/photodb/photos/110726-F-0000B-001.jpg)와 (http://gcell.com/wp-content/uploads/flexible.jpg))

신축성과 유연성을 갖는 전기화학형 에너지 생산/저장 장치 및 재료

진준형

㈜이너센서 기술이사

jhjin@innersensor.com

그림 1 신체착용 전자기기의 예시: (좌), 심박측정 손목밴드; (우), 스마트 수술 장갑. (이미지 출처: 각각 (http://www.numetrex.com)와 (http://www.scoop.it)).

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 3, 2016 … 233

장 장치에 대한 최근의 연구 경향을 간략히 소개하

고자 한다.

유연성 염료감응형 태양전지

서론에서 거론한 유연성의 DSSC가 소개되기 이

전부터 전극과 전해질의 유연화에 대한 관심은 많았

다. 그림 3은 그러한 유연화를 위한 노력을 보여주는

예로서, 왼편 이미지들은 케이블형 금속 전극 소재

에 기반한 DSSC이고,2 오른편 이미지들은 메쉬형 금

속 전극 소재를 이용한 DSSC에 대한 이미지들이다.3

그러나, 이들은 약간의 구부림만으로도 전극 표면에

코팅된 감광물질이 쉽게 떨어져나가는 단점을 해결

할 수 없었다.

이들 예는 비록 성공적이라고 하기에는 보잘 것

없는 수준으로 보일 수 있겠으나, 기존 전극 및 전해

질 재료를 효과적으로 전극 유연화에 이용하려는 시

도였다는 것에 그 의의가 있다. 일반적으로 사용되

는 DSSC 전극 소재는 크게 금속, 플라스틱, 그리고

유리의 세 가지 정도이다. 금속 소재는 기계적 강도

가 우수하고 전기 전도성도 높으나 일정 두께 이상

이 되면 빛 투과도가 낮아지는 단점이 있다. 플라스

틱 소재는 금속 박막이나 전도성 고분자 등과 조합

하여 유연성이 매우 우수한 전극 소재가 될 수 있겠

으나 열에 약하여 고온 공정을 필요로 하는 경우 부

적합하다. 유리 소재의 경우 유기 또는 무기 전도성

소재와의 조합으로 빛 투과도와 열 안정성이 우수한

전극 소재를 구성할 수 있으나 기계적 강도가 취약

하고 특히 대량 생산에 필요한 두루말이식(roll-to-

roll) 공정을 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 종합해

보면, 유연성과 신축성을 가미하여 전기화학전지를

구성할 수는 있으나, 질적 측면에서 성능 저하는 감

수해야만 한다. 물론, 그러한 성능 저하 문제를 해결

그림 3 초기 유연성 DSSC. 케이블형 또는 메쉬형 전극 구조로서 유연성을 확보하였다.

그림 4 DSSC 양극((a)는 그 표면이고 (b)는 그 단면)과 음극((c)는 그 단면이고 (d)는 단면을 보다 확대한 것)에 산소 플라즈마로 기능화한 탄소나노튜브를 결합하여 효율 증대를 유도한 DSSC 전극에 대한 주사전자현미경 사진.

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신축성과 유연성을 갖는 전기화학형 에너지 생산/저장 장치 및 재료하이라이트

해 보려는 노력도 있었다. 그림 4는 산소 플라즈마를

이용한 DSSC 전극 개질을 통하여 태양광의 전기에

너지로의 변환 효율 증대를 시도한 예이다.4,5 이 기

술은 산소 플라즈마로 기능화한 탄소나노튜브를 전

도성 고분자 기반의 DSSC 양극에 결합시켜 양극에

서의 촉매 효과를 증진시키거나, 티탄산화물 기반의

음극에 결합하여 그 생산된 광전자를 효과적으로 외

부 회로로 유도하는 기술로서 유연성 소재나 신축성

소재에도 쉽게 적용 가능하기 때문에 활용도가 높은

기술이다.

케이블형 전극 기반의 전기화학형 에너지 생

산 및 저장 소자 기술

케이블형 전기화학전지는 직조하여 의복처럼 착

용 가능한 에너지 생산 및 저장 장치의 그 기초가 되

는 부품이다. 2010년대에 접어들면서 이 분야에 본격

적인 연구가 시작되었으며, DSSC, 배터리, 수퍼캐패

시터 분야에서 활발한 연구가 진행 중이다. 그림 5에

서 볼 수 있듯이, 이미 2012년에 케이블형의 DSSC가

소개된 바 있으며,6 케이블형 티탄산화물 음극의 균

열 문제 해결을 위해 그 음극 구조를 변화시킨 개량

형까지 소개된 바 있다.7 같은 해에, 안정성이나 유연

성에 대한 논쟁이 끊임없긴 하나, 케이블형 리튬 이

온 배터리도 소개된 바 있다.8 2013년에는 역시 케이

블형으로서 수퍼캐패시터와 배터리가 결합된 에너

지 저장 통합 소자가 소개된 바 있다.9 다만, 기술적

으로 그 안정성 문제가 만족할만한 수준으로 해결되

지 못한 리튬을 제외하고, 아연을 연료로 하는 케이

블형의 신축성 에어 베터리의 경우 2015년에 소개된

바 있다.10,11

이온 배터리를 넘어 에어 배터리로의 진화

이온 배터리의 연료에 대한 수많은 연구 결과가

있으나, 에너지 밀도 측면에서 리튬과 아연을 능가

하는 연료를 생각하기는 힘들 것이다. 실제로, 1991

년도에 리튬 이온 배터리(LIB)가 처음 상용화 된 이

후 휴대형 가전의 대중화가 가속화 되었다. 그럼에

도 불구하고 여전히 이온 배터리를 넘어 에어 배터

리로의 진화를 모색하고 있는 이유는 너무나 당연하

게도 전기로 움직이는 운송 수단의 대중화를 위해서

이다. 전기자동차(Electric vehicles, EVs)를 움직이기

위해서는 최신 LIB로도 부족한 점이 많다. 충전 시간

그림 5 케이블형 에너지 저장 소자들. (a) 티탄 와이어에 티탄산화물과 염료를 조합한 음극과 방적구조의 탄소나노튜브를 양극으로 하는 염료감응형 태양전지 (b) 앞서 (a)에서 보인 전지의 그 음극 구조를 개선하여 유연성이 향상된 염료감응형 태양전지. (c) 니켈-주석 음극과 리튬-코발트 산화물 양극을 이용하여 유연성을 확보한 리튬 이온 배터리. (d) 리튬 이온 배터리와 망간산화물을 이용한 수퍼캐패시터를 하나로 통합한 하이브리드 형 에너지 저장 소자.

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 3, 2016 … 235

은 접어두더라도, 1회 충전으로 이동 가능한 거리가

가솔린 연료에 턱없이 부족하며 (1회 충전 이동 가능

거리는 테슬라의 346 km가 최장이다), 그 차량의 크

기가 커질수록 더욱 문제가 심각해 진다. 리튬의 경

우 이론상 그 에너지 밀도가 12000 Wh kg-1에 육박하

며, 실제 효율을 고려하더라도 현재 쓰이는 화석 연

료의 에너지 밀도에 준하거나 오히려 넘어선다는 평

가를 받고 있어 그 잠재적 효용 가치가 매우 높다. 그

렇기 때문에 리튬 연료를 사용하는 에어 배터리, 즉,

리튬 에어 배터리(LAB)는 큰 의미가 있다.

같은 연료를 사용할지라도 LIB와 LAB는 구조적,

기능적으로 중요한 차이가 있다. 그림 6은 일반적인

이온 배터리와 에어 배터리의 차이를 말해주고 있다.

본래의 전통적 배터리는 일단 온전하게 만들어지면,

그 내부와 외부가 전기적으로만 연결될 수 있을 뿐,

내부 물질이 외부로 유출되거나 외부 물질이 그 내부

로 유입되는 일은 없다. 연료 역할을 하는 음극 물질

과 양극 역할을 하는 금속 산화물이 전해질을 사이에

두고 배터리의 내부에 위치해 있어야만 한다. 방전에

필요한 금속 연료와 충전에 필요한 금속 산화물이 하

나의 배터리 내부를 서로 나누어 사용해야만 충·방

전이 가능한 이차전지 구성이 가능하다. 반면에 에어

배터리의 경우는 양극 반응물이 금속 산화물 형태로

배터리 내부를 차지하고 있는 구조가 아니라, 산소

가 외기로부터 공급되는 구조이기 때문에 내부 공간

을 연료가 거의 모두 차지하고 있다. 이때, 양극은 방

전 과정에서 수반되는 산소 환원 반응(ORR, oxygen

reduction reaction)과 충전 과정에 필요한 산소 발생

반응(OER, oxygen evolution reaction)이 효과적으로

일어날 수 있는 그 환경을 제공하면 된다. 따라서, 같

은 내부 공간을 갖는, 같은 음극 연료 물질을 사용하

는 배터리라면 에어 배터리 형태로 동작하는 것이 연

료량을 크게 가져갈 수 있으므로 유리하다. 또한, 같

은 에너지량을 갖는다면 이온 배터리보다 에어 배터

리로 동작하는 경우가 공간을 더 적게 차지함으로써

더 가볍게 제작할 수 있다.

에어 배터리에 대한 이론적 기반은 이미 1970년대

에 수립되었으나, 기술적 한계로 접근이 어려웠다.

리튬과 아연이 음극 물질로 가장 많이 연구되어 왔

고, 양극 물질로는 탄소, 망간, 코발트, 루테늄, 백금,

은 등이 많이 이용된다. 수용성 전해질, 비수용성 전

해질, 혼합형 전해질, 그리고 최근 유연성 및 신축성

에너지 저장 장치에 대한 높아진 관심에 편승하여 다

양한 고체전해질 및 겔형 전해질이 소개된 바 있고,

지속적인 기술발전에 힘입어 상용화 가능성이 한층

높아졌으나, 여전히 많은 난제에 가로놓여 있다. 그

림 7에 에어 베터리의 동작 메카니즘을 간략히 도시

하였다. 방전 과정에서 금속 양이온이 양극으로 물

질 전달되어 산소와 반응하여 금속 산화물을 형성하

고, 충전 과정에서는 산소가 발생되면서 금속 양이온

이 금속으로 환원되는 구조이다. 음극의 안정성 문

제, 양극에서 비가역적으로 침착된 금속 산화물에 의

한 전극 성능 저하 문제, 연속적 충·방전 으로 전해

그림 6 흔히 사용되는 이온 배터리와 에어 배터리의 구조적 차이. (참고문헌: Technical bulletin, DuraCell® (2004) 자료를 재구성 하였음)

그림 7 에어 배터리의 동작 메카니즘. 연료가 되는 금속 소재의 음극과 ORR 및 OER 이 일어나는 다공성 구조의 양극 사이에 고체 전해질이 있다.

236 … NICE, 제34권 제3호, 2016

신축성과 유연성을 갖는 전기화학형 에너지 생산/저장 장치 및 재료하이라이트

질이 분해되어 전기 전도도가 급감하는 문제등 아직

해결해야 하는 다수의 걸림돌이 있으며, 특히 유연성

및 신축성 에어 배터리에 대한 연구 성과는 아연을

연료로 하는 경우를 제외하면 전무한 상태이다.

수퍼캐패시터를 이용한 에너지 저장

배터리와 수퍼캐패시터의 경계가 다소 모호해지

고 있으나, 두 소자의 차이를 이야기하자면, 배터리

의 경우는 얼마나 많은 에너지를 쓸 수 있는지에 촛

점을 맞춘 소자이고, 수퍼캐패시터는 저장되어 쓸

수 있는 에너지를 얼마나 빨리 쓸 수 있는지에 촛점

을 맞춘 소자이다. 작게는 전동드라이버, 크게는 전

기자동차의 출발 및 정지시에서와 같이, 순간적으

로 큰 힘이 필요할 때 유용하다. 전기화학 캐피시

터로도 불리우는 수퍼캐패시터는 슈도형 캐패시터

(pseudocapacitor)와 전기이중층형 캐패시터(electrical

double layer capacitor, EDLC)로 양분된다. 그림 8에

서도 보였듯이, 수퍼캐패시터는 전극과 전해질이 분

자 수준의 매우 얇은 절연체를 사이에 두고있는 형

태이므로 구조적으로 매우 큰 정전용량을 가질 수

있다. 또한, EDLC의 경우 인터페이스 영역에 하전

입자들이 모일 뿐 산화·환원 과정이 수반되지 않기

때문에 이론적으로, 반 영구적 사용이 가능하고, 그

소재로서 활성탄, 탄소 에어로겔, 탄소나노튜브, 그

래핀, 탄소 카바이드 유도체(CDC) 등이 쓰인다. 반

면에 전도성 고분자와 금속 산화물을 주로 사용하는

슈도캐패시터의 경우 인터페이스에서 실제로 일어

나는 산화·환원 반응에 의한 수명 저하 문제로 상

용화에 어려움이 있으나 EDLC보다 상대적으로 높

은 정전용량을 기대할 수 있기 때문에 향후 전망은

밝다. 특히, 최근에 고탄성체, 전도성고분자, 탄소나

노튜브, 금속 산화물 등을 서로 조합하여 유연성과

신축성을 갖는 수퍼캐패시터 개발에 대한 연구 결과

가 큰 주목을 받고 있다.12,13

결론

염료감응 태양전지, 배터리, 수퍼캐패시터 등은

모두 전기화학전지 형태로서 서로 유사한 구조적 특

성을 가지며 그 전극 및 전해질에 쓰이는 물질들 또

한 서로 공유하고 있다. 유연 소재와 신축성 소재 기

술 발전으로 유연성 및 신축성을 갖는 에너지 생산

및 저장 소자들이 최근 다수 소개되고 있으며, 멀지

않은 미래에 아마도 시장에서 상품으로 만나볼 수

있을 것이다. 이들 신축성 에너지 소자는 의복 형태

로 착용할 수 있고, 에너지 생산과 저장을 묶은 하이

브리드 소자화도 가능하기때문에, 군사용 또는 일반

사용자용의 개인 휴대 전자장비 및 기기의 대중화에

크게 이바지할 것으로 생각되며, 그 파급효과는 우

리의 상상 이상일 것으로 기대된다.

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그림 8 전기화학 캐패시터의 전극/전해액 인터페이스 영역에 대한 모식도. 매우 얇은 분자 수준의 절연막으로 매우 높은 정전용량을 얻을 수 있다. (IHP, inner Helmholtz plane; OHP, outer Helmholtz plane)

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