자연으로 돌아가는 미래형 종이 배터리 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (227)

종이 배터리 이미지. 출처=www.reaganraj.com

 
최근 스마트 기기는 점점 얇고 가벼워지고 있으며, 접거나 구부리는 등 다양한 형태로 진화하고 있습니다. 이에 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 제품으로 각광받고 있습니다. 오늘은 차세대 미래형 상품으로 떠오르고 있는 종이 배터리에 대해 알아보겠습니다.  

◆세계 최초 종이 리튬 이온 전지

휘어지는 종이 리튬 이온 전지. 출처=국립산림과학원

 
2007년 미국 폴리테크닉대 연구진이 검은색 탄소 나노튜브를 입힌 종이 배터리를 내놓은 데 이어 2009년 스탠퍼드대 연구팀이 코팅 방법을 단순화해 내놓은 적이 있지만, 모두 전기 흐름이 원활하지 않아 활용이 어려웠습니다.  

2004년 국립산림과학원과 울산과학기술대(UNIST) 연구팀이 함께 셀룰로오스로 만든 종이 분리막과 전극을 이용해 휘어지는 배터리를 개발하는 데 성공했습니다. 셀룰로오스를 나노 크기로 잘게 쪼갠 뒤 리튬 이온의 양극(+)과 음극(-) 사이 형성되는 분리막을 아주 작게 개발했습니다. 분리막의 양쪽면에 각각 양극과 음극 역할을 할 수 있는 물질을 입힌 것입니다.  

◆종이 위에 연필로 그려 만드는 ‘아연-공기 배터리’ 

 
밖에서 당장 휴대전화 충전이 필요한데, 가방 속에 있는 건 종이와 연필뿐이라면? 이 종이와 연필만으로 배터리가 만드는 기술이 개발됐습니다. 

UNIST는 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=이상영 울산과학기술대(UNIST) 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 하였습니다.

즉 종이 위에 잉크로 그림을 그리면 전압 1.2V의 배터리가 만들어지는 것입니다. 

◆박테리아로 전기가 공급되는 종이 배터리

박테리아 종이 배터리를 개발한 최석헌 미국 뉴욕주립대 교수. 출처=미국 뉴욕주립대 빙엄턴 캠퍼스(Binghamton University)

 
미국 뉴욕주립대 연구진은 2018년 박테리아로 구동되는 종이 배터리를 개발했습니다. 

종이 표면에 얇은 금속 및 기타 물질을 인쇄해 배터리를 만든 뒤 동결 건조된 ‘전자방출균’(exoelectrogen)을 종이 위에 올려놓은 것입니다. 

박테리아로 구동되는 종이 배터리. 출처=미국 뉴욕주립대 빙엄턴 캠퍼스(Binghamton University)

 
전자방충균은 세포 외부로 전자를 전달하는 특이한 종류의 박테리아입니다. 

박테리아가 호흡을 하며 스스로 에너지를 만들어낼 때 발생한 전자가 세포막을 통과해 외부 전극과 접촉, 배터리에 전원을 공급하게 됩니다.  

◆흙 속에서 분해되는 생분해 종이 배터리 

생분해 종이 배터리의 작동 모습. 출처=싱가포르 난양공대

 
최근 싱가포르 난양공대 연구진은 흙 속에 묻으면 한달 안에 생분해되는 배터리를 개발해 주목받고 있습니다. 이는 셀룰로오스를 함유한 종이에 고분자 물질인 하이드로젤을 바른 뒤 양면에 전극을 인쇄하여 만들어졌습니다.  

이 배터리는 흙 속에 묻으면 한달 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 두배 정도인 약 0.4㎜로 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 종이라는 소재가 이제 자연을 생각한 미래 소재로 각광받고 있습니다.  

한화솔루션 블로거