영하 20도 작동하는 차세대 에너지 유연 전자소자 나온다

박성준 성균관대 교수팀, 고신축·항동결 수화젤 전해질 개발 액체금속 입자 활용, 연성과 기계적 강도 높여… 유연전자소자 적용 영하 20도 혹한과 9배 이상의 급격한 변형에도 성능 저하 없이 작동하는 수화젤 기반 전해질 소재가 개발됐다. 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 웨어러블 전자기기, 유연 에너지 저장장치, 소프트 센서 등에 활용될 것으로 기대된다. 한국연구재단은 박성준 성균관대 화학공학과 교수팀이 액체금속 입자를 활용해 초고신축·항동결 수화젤 전해질을 개발했다고 6일 밝혔다. 웨어러블 전자기기 발전으로 높은 유연성과 안정성을 동시에 갖는 에너지 저장 기술 수요가 늘고 있다. 전해질은 에너지 저장기기에서 전하를 나르는 통로 역할을 한다. 이 때문에 얼지 않고(항동결), 고무줄처럼 늘어나면서(초고신축) 전기를 잘 전달(이온 전도성)해야 한다. 하지만 기존 수화젤 기반 전해질은 수분을 포함하고 있어 기계적 강도가 낮고, 저온에서 쉽게 동결돼 성능이 떨어지는 문제가 있다. 연구팀은 액체금속 입자를 개시제로 활용했다. 개시제는 액체 상태의 원료들이 단단하거나 질긴 고체로 변하도록 화학반응을 유도하는 물질이다. 액체금속을 활용해 별도 장비나 에너지 없이 균일한 고분자 네트워크를 형성한 뒤 소수성 상호작용(SMA)을 도입해 고분자 사슬 간 물리적 가교를 형성해 높은 연성과 기계적 강도를 유지토록 설계했다. 이렇게 설계된 전해질 소재는 재료가 끊어지기 직전까지 원래 길이보다 최대로 늘어났는가를 백분율로 표시한 파단신율이 900%에 달했다. 연구팀은 또 염화리튬을 도입해 물 분자 간 수소 결합을 효과적으로 억제해 영하 20도에서 전도성과 유연성이 동시에 유지되는 항동결 특성도 구현했다. 이 전해질을 적용한 에너지 저장장치는 4만5000회 충방전 이후에도 98%의 성능을 유지하는 등 우수한 안정성을 입증했다. 박 교수는 "액체금속을 활용한 새로운 수화젤 전해질 설계 전략을 제시한 것으로, 향후 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 유연 전자소자 개발로 확장할 수 있을 것"이라고 말했다. 연구 결과는 국제 학술지 '나노-마이크로 레터스' 지난달 13일 온라인에 실렸다. 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr