옷과 종이에 에너지 저장을 촉발한 나노 기술

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-02-22

미국 스탠퍼드 대학 소속의 Yi Cui를 주축으로 하는 연구진은 나노 기술(nanotechnology)을 이용하여 배터리의 개념을 재정립하기에 이르렀다. 연구진은 특별한 잉크에 일반 종이 또는 직물을 적시는 방법을 이용하여 유연하고 전도성 있는 전자 직물(eTextile) 뿐 아니라 초경량의 효율적인 배터리 및 배터리와 같이 에너지를 저장하지만 화학적인 수단보다는 정전기적 수단으로 에너지를 저장하는 초고용량 캐패시터(supercapacitor) 등을 저렴하고 효율적으로 제조할 수 있는 방안을 발견한 바 있다.

이러한 기술이 아직까지 새로운 한편, Cui 연구진은 연구진이 개발한 발명품을 위한 다양한 기능적 사용을 상상해왔다. 미래의 가정은 언젠가는 에너지를 저장하는 벽지로 도배를 하게 될 것이다. 정교한 도구를 좋아하는 사람들은 자신의 티셔츠에 플러그를 연결하는 단순한 방법을 통하여 이동하며 휴대용 전기장치를 충전할 수 있을 것이다. 또 전자 직물은 움직이는 광고용 의복, 반응성이 우수한 고기능성 스포츠의류, 전쟁터에서 군인을 위한 소모성 동력 제공 등에 활용될 수 있다.

이러한 첨단 제품을 개발하는 데 핵심적인 첨가물은 인간의 눈으로 볼 수 없다. 전기의 전달을 가능하게 하는 패턴으로 구성된 나노 구조는 시장에서 현재 이용할 수 있는 전기 저장 장치들이 직면한 다수의 문제에 해결 방안을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Cui 연구진의 실험 장치에서 사용된 나노 입자의 유형은 배터리에 사용되는 일반적인 화합물인 리튬코발트옥사이드(lithium cobalt oxide), 초고용량 캐패시터로 이용되는 단일벽 탄소 나노 튜브(SWNTs; single-walled carbon nanotubes)에 이르기까지 다양하다.

스탠퍼드 대학교 재료공학부 부교수인 Cui는 나노 규모의 재료에 대한 새로운 응용 분야를 조사하는 연구진을 이끌고 있다. 연구진의 목적은 이론적인 문제에 답을 제공할 뿐 아니라 실용적인 수준에서 프로젝트를 진행하는 것이라고 Cui는 밝혔다. 최근 그의 연구진은 에너지 개발의 분야에 나노기술을 통합하는 방법에 집중해 왔다.

에너지 저장은 매우 오래된 연구 분야라고 Cui는 밝혔다. 이러한 분야에 어떻게 혁신적인 영향을 이끌어 낼 것인가? 혁신적인 변화를 추구하기 위하여 사고의 극적인 차별화가 필요하다고 Cui는 지적했다.

Alessandro Volta가 1800년에 전 세계 최초의 전지(electrical cell)를 선보인 이후 전기 저장 장치는 오랜 역사를 가져온 한편, 기술은 아직까지 또 다른 대변혁을 겪게 될 것으로 보인다. 에너지 저장 장치를 제조하는 현재의 방법들은 막대한 자본이 필요하고 환경적으로 유해할 뿐 아니라 최종 제품은 현저한 수행력의 제약이 따른다. 상용 리튬 이온 배터리는 제한된 저장 용량을 가지고 있으며, 제조에 많은 비용이 소모되는 한편 전통적인 캐패시터는 높은 동력을 제공하지만 에너지 저장 용량에 고가의 비용이 요구된다.

새로운 과학의 도움으로 미래 배터리는 부피가 큰 금속 같은 물질처럼 볼 수 있는 것이 아니다. 나노 기술은 목표로 하는 장치에서 에너지 수행력을 개선할 수 있는 능력과 경제적인 요구까지 수용할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 배터리에서 탄소 음극 대신 실리콘 나노 와이어 음극의 대체는 에너지 저장 용량을 10배 가까이 향상시킬 수 있는 가능성이 있음을 Cui 연구진은 증명한 바 있다.

과거에 실리콘은 탄소보다 더 많은 양의 리튬을 잡을 수 있기 때문에, 유망한 음극 물질로 인식되어 왔다. 그러나 실리콘의 응용은 물리적인 스트레스를 유지하는 능력의 부재로 제한을 받는다. 리튬 이온이 배터리를 충전하는 공정에서 실리콘 음극으로 끌려 갈 때 실리콘의 부피는 4배로 증가하고, 리튬 이온이 방전할 때는 끌려가기 때문에 발생하는 수축으로 인하여 실리콘 재료로 구성된 음극은 저장 용량을 상당히 잃게 된다.

Cui 연구진은 이전에 발표한 연구에서 실리콘이 리튬 이온의 흡착 및 방출을 기계적으로 견딜 수 있기 때문에, 실리콘 나노 와이어 배터리 전극(silicon nanowire battery electrode)의 사용이 문제를 피하는 방법 중 하나라고 제안한 바 있다.

이러한 발견은 기존 제품보다 더 높은 에너지 용량 및 더 긴 수명을 제공하는 재충전 리튬 배터리의 개발에 대한 전망을 밝히고 있다. 실리콘 나노 와이어 기술은 미래에는 각 가정의 전기 자동차, 휴대용 전자 제품, 이식용 의료 용구 등에서 발견할 수 있게 될 것이다.

현재 Cui는 나노 재료의 전기적 특성 뒤에 숨겨져 있는 자연 과학과 실생활 제품의 디자인과 관련된 연구를 주도하기를 바라고 있다. 지금이 우리가 나노 과학으로 배운 것을 현실로 이끌어 내야 할 시기이며, 매우 전도유망한 실제적인 응용을 구현할 때라고 Cui는 밝혔다. 나노 기술을 첨단 기술과 결합하여 최소 비용으로 새로운 기술로 재조합할 수 있으며, 이는 사회 전반에 엄청난 영향을 초래할 것이라고 Cui는 강조했다.

출처 : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2010-02/su-nse021910.php