본문 바로가기

케미칼_테크/캐스트

이젠 배터리도 생분해 시대! 자연으로 돌아가는 미래형 종이 배터리

종이 배터리 이미지(출처: reaganraj.com)


최근 스마트 기기는 점점 얇고 가벼워지고 있으며, 접거나 구부리는 등 다양한 형태로 진화하고 있습니다. 이에 배터리 또한 얇고 가벼우면서 형태까지 변화할 수 있는 ‘종이 배터리’ 역시 관심을 받고 있습니다. 

 

종이 배터리의 주재료는 나무를 구성하고 있는 셀룰로오스로, 자연에서 분해될 수 있다는 점에서 ‘친환경 배터리’로 각광 받고 있습니다. 오늘은 차세대 미래형 배터리로 떠오르고 있는 종이 배터리에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

 


세계 최초 #종이 리튬이온전지

 

휘어지는 종이 리튬이온 전지(출처: 국립산림과학원)

 

종이 배터리는 2007년 미국 폴리테크닉대학 연구진이 검은색 탄소 나노튜브를 입힌 종이 배터리와 2009년 스탠퍼드대 연구팀이 코팅 방법을 단순화해 내놓은 적이 있지만, 전기 흐름이 원활하지 않아 활용이 어려웠습니다. 

 

그런데 지난 2004년, 국립산림과학원과 울산과학기술대(UNIST) 연구팀이 공동으로 셀룰로오스로 만든 종이 분리막과 전극을 이용해 휘어지는 배터리를 개발하는데 성공했습니다. 셀룰로오스를 나노 크기로 잘게 쪼갠 뒤, 리튬이온의 ‘+’와 ‘-‘ 사이에 분리막을 형성하는 아주 작은 막을 개발하여, 분리막의 양쪽면에 각각 양극과 음극 역할을 할 수 있는 물질을 입힌 것입니다. 

 

 


종이 위에 연필로 그려 만드는 #아연-공기 배터리

 


밖에서 당장 휴대폰에 충전이 필요한데 가방 속에 있는 건 종이와 연필뿐이라면? 그런데 이 종이와 연필만으로 배터리가 만드는 기술이 개발됐습니다. 울산과학기술원(UNIST)는 2018년 연필심을 전지의 양극으로 사용하는 ‘아연-공기 배터리’를 개발했는데요. 종이에 연필로 그림을 그리면 배터리가 만들어지는 방식입니다. 
 

종이와 연필로 만든 아연-공기 배터리 이미지(출처: UNIST 이상영 교수)


금속이 공기 중 산소와 만나 산화되는 현상을 이용한 이 기술은, 탄소가 많은 연필을 양극 재료로 선택하고, 잉크 형태의 아연을 음극 물질로 개발해 종이 위에 펜처럼 쓸 수 있게 만들었습니다. 즉, 종이 위에 잉크로 그림을 그리면 전압 1.2V의 배터리가 만들어지는 것입니다.

 

 


#박테리아로 전기가 공급되는 종이 배터리

 

박테리아 종이배터리를 개발한 뉴욕주립대학교 최석헌 교수(출처: BinghamtonUniversity)


미국 뉴욕 주립대학 연구진은 지난 2018년 박테리아로 구동되는 종이 배터리를 개발했습니다. 종이 표면에 얇은 금속 및 기타 물질을 인쇄 시켜 종이 배터리를 만든 후, 동결 건조된 ‘전자방출균(exoelectrogen)’을 종이 위에 올려놓은 것입니다.

 

박테리아로 구동되는 종이 배터리(출처: BinghamtonUniversity)


 전자방충균은 세포 외부로 전자를 전달하는 특이한 종류의 박테리아입니다. 박테리아가 호흡을 하며 스스로 에너지를 만들어낼 때 발생한 전자가 세포막을 통과해 외부전극과 접촉, 배터리에 전원을 공급하게 됩니다. 

 


흙 속에서 분해되는 #생분해 종이 배터리

 

생분해 종이 배터리 작동 모습(출처: 싱가포르 난양공대)


최근 싱가포르 난양공대 연구진은 흙 속에 묻으면 한 달 안에 생분해되는 배터리를 개발해 주목받고 있습니다. 이 종이 배터리는 셀룰로오스를 함유한 종이에 고분자 물질인 하이드로젤을 바른 뒤 양면에 전극을 인쇄하여 만들어졌습니다. 

 

이 배터리는 흙 속에 묻으면 한 달 안에 미생물에 의해 완전히 생분해되는 것이 특징인데, 음극에 쓰이는 니켈이나 망간은 천연 광물에 가까운 형태로 남고, 양극에 들어가는 아연은 자연적으로 산화된다고 합니다. 두께는 사람 머리카락 두 배 정도인 0.4mm 정도로 얇으며, 향후 스마트폰 등 휴대용 모바일 기기에 사용될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 

종이 배터리는 점점 작아지고 가벼워지는 모바일 디바이스의 무게를 획기적으로 줄여줄 수 있습니다. 무엇보다 자연에서 분해되는 소재로 만들어지기 때문에 친환경적이라는 장점을 지니고 있습니다. 첨단 기술과는 멀게 느껴졌던 ‘종이’라는 소재가 이제 자연을 생각한 첨단 미래 소재로 각광받고 있습니다.