하버드 대학과 일리노이 대학 공동 연구팀이 개발한 3D 프린터 기술은 각각의 두께가 사람 머리카락보다 가는 소형 배터리 전극을 교착시키는 데 성공했다.
연구팀은 이런 초소형 배터리가 의료에서부터 통신에 이르기까지 극소형 디바이스에 전원을 공급하는데 이용할 수 있을 것으로 보고 있다. 특히 너무 작아서 적합한 전원을 구하지 못해 연구실 단계에 머물러 있는 나노 기술의 활용에도 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 극소화된 의료 보형물이 대표적인 예이다.
이번 연구의 수석 저자이자 하버드 대학 교수인 제니퍼 루이스는 “3D 프린터로 배터리를 출력할 수 있다는 것 뿐만 아니라 극히 정밀한 출력이 가능하다는 것을 증명한 것”이라고 강조했다. 루이스 교수는 일리노이 대학에서 이 연구를 시작했으며, 이 대학 부교수인 센 딜런과 공동으로 연구를 진행했다.
Image courtesy of Jennifer A. Lewis.
최근에 개발된 나노 디바이스는 의료보형물부터 날으는 벌레 로봇, 안경에 부착하는 소형 카메라와 마이크 등 다양하다. 하지만 이들 나노 디바이스에 전원을 공급하는 배터리가 디바이스보다 더 큰 경우가 많았다. 이 문제를 해결하기 위해 기존에는 얇은 필름에 전극을 입히는 방법을 사용해 왔다. 하지만 이 경우는 그 크기와 두께 때문에 충분한 전원을 공급하기 어렵다는 문제가 있었다.
연구팀은 3D 프린터와 3차원 컴퓨터 설계를 이용해 극히 얇은 전극을 교착시킬 수 있다는 것을 발견했다. 3D 프린터는 마치 카드를 쌓는 것처럼 배터리를 만드는 잉크의 연속적인 층을 만들었다.
루이스 교수의 연구팀은 다양한 화학적 전기적 특성을 가지는 광범위한 기능형 잉크를 고안해 냈으며, 또 마이크로배터리를 만들기 위해 맞춤형으로 제작한 3D 프린터가 직경 30마이크론의 노즐을 통해 잉크를 주사했다.
잉크는 굳으면서 배터리의 양극과 음극을 형성했으며, 이렇게 층층이 쌓인 배터리를 케이스로 감싸고, 배터리가 동작할 수 있도록 전해질이 추가됐다.
Illustration courtesy of Jennifer A. Lewis.
딜런 교수는 “전기화학적 성능은 충전 및 방전율, 수명, 에너지 집적도 등에서 상용 배터리와 비교할만하다. 더 작은 크기로 비슷한 성능을 얻을 수 있게 됐다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 미국 국립과학재단과 미 에너지부 에너지 개척연구센터의 지원을 받았다. editor@itworld.co.kr
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