色변하는 ‘스마트 유연전지’ 구현 성공

KAIST·명지대 공동연구팀 개발
에너지 저장용량 40% 이상 확대
충·방전시 남색·투명으로 변색

스마트 창문으로 활용 가능한 투명 아연이온 유연전지 개발을 이끈 김일두(작은 사진) KAIST 신소재공학과 교수 [KAIST 제공]

스마트 전자 기기와 웨어러블 시장의 급속한 발전으로 단순한 에너지저장 기능을 가진 이차전지를 넘어서 색깔이 변하는 스마트 이차전지 시스템이 주목받고 있다.

하지만 기존 전기변색소자는 전자와 이온의 이동효율과 에너지 저장 용량이 낮고 플랙서블·웨어러블 에너지 기술에 적용하기 어려운 한계가 있었다.

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 김일두 교수와 명지대 신소재공학과 윤태광 교수 공동연구팀이 충전·방전 과정을 시각화하는 스마트 전기변색-아연 이온 전지를 개발했다고 21일 밝혔다.

전기변색 기능이 접목된 전지는 충전과 방전 상태를 색 변화로 시각화하고, 태양광 흡수량을 조절해 실내 냉방 에너지 소비량을 절감하는 디스플레이 소자로 활용할 수 있는 획기적인 스마트 전지다. 연구팀은 장시간 공기 노출 및 기계적 변형에도 전기변색 성능과 우수한 전기화학 특성이 유지되는 유연 전기변색-스마트 아연 이온전지 구현에 성공했다.

공동 연구팀은 전자와 이온의 이동효율을 극대화하기 위해 ‘파이(π) 결합 간격재(Spacer)’가 내장된 고분자 양극재를 이론적인 모델링을 바탕으로 설계하고 최초로 합성했다. 파이(π) 결합은 구조 내 전자이동을 향상시켜 이온 이동 속도가 매우 빨라지고, 이온 흡착효율이 극대화해 에너지 저장 용량 또한 높이는 효과가 있다.

개발된 고분자 양극재 기반 전지는 간격재가 없는 경우와 비교했을 때 간격재가 공간을 마련, 고속충전이 가능하며 기존보다 40% 이상 저장용량도 확대됐다. 또 충·방전시 남색에서 투명색으로 빠르게 바뀌는 변색 성능도 30%가 상승한 결과를 나타냈다. 투명 유연전지 기술을 스마트 윈도우에 적용하면, 낮시간 동안 태양에너지를 흡수하는 과정에서 짙은 색을 띄게 돼 자외선과 눈부신 태양빛을 차단하는 커튼 기능이 포함된 미래형 에너지 저장 기술로 쓰일 수 있다.

김일두 교수는 “에너지 저장의 역할만을 수행하는 기존 전지의 개념을 넘어서, 스마트 전지 및 웨어러블 기술의 혁신을 가속화하는 미래형 에너지 저장 시스템으로 활용될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 인사이드 표지논문으로 선정돼 8월 3일 게재됐다.

구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com