공기 중 수분으로 전기 만든다…아주대 공동연구진, 피부 부착형 초박막 배터리 개발

'어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 논문 게재…아주대·충남대·GIST 공동 연구 결실
두께 200㎛ 이하 초박막 구조 구현…자가부식 방지 및 8000시간 작동 가능성 입증
심전도·근전도 등 생체신호 센서 실시간 측정 성공…차세대 웨어러블 헬스케어 전원 기대

연구이미지. 아주대 제공

【파이낸셜뉴스 수원=장충식 기자】국내 연구진이 주변 공기 중의 수분을 스스로 흡수해 전기를 생산하는 초박막 피부 부착형 알루미늄-공기 전지(Aluminum-air battery)를 개발했다.

얇고 유연하면서도 안정적인 장시간 구동이 가능해 향후 웨어러블 헬스케어 기기 및 전자 피부(Electronic Skin)의 차세대 독립 전원 체계로 크게 주목받을 전망이다.

아주대학교는 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과) 연구팀이 충남대학교, 광주과학기술원(GIST)과의 공동 연구를 통해 공기 중 수분을 활용해 장시간 작동하는 초박막 알루미늄-공기 전지 개발에 성공했다고 6일 밝혔다.

아주대 박재일 박사후연구원이 제1저자로 참여하고 아주대 박성준 교수, GIST 유승준 교수(신소재공학과), 충남대 송우진 교수(응용화학공학과)가 교신저자로 이름을 올린 이번 연구 논문은 소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)' 7월호에 온라인 게재됐다.

알루미늄-공기 전지는 공기 중 산소를 양극 활물질로 사용하고 수계 전해질을 기반으로 해 고용량·고안전성을 자랑하는 차세대 에너지 저장 장치다.

그러나 피부 부착형으로 만들기 위해 두께를 줄일 경우 전해질 축적량과 수분 저장 능력이 급감해 에너지 용량이 떨어지고 전지가 쉽게 건조해지는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 이를 해결하기 위해 염화리튬 기반의 '흡습성 하이드로젤 전해질'을 고안해냈다.

이 전해질은 공기 중 수분을 지속해서 보충해 건조를 막는 동시에, 고농도 염과 물 분자 간의 강한 상호작용으로 물의 반응성을 낮춰 알루미늄 음극의 자가부식까지 막아준다.

이로써 연구팀은 전체 두께 200㎛(마이크로미터) 이하의 초박막 구조에서도 안정적인 이온전도와 높은 용량을 확보했다.

해당 전지는 △초박막 스테인리스강 그물망 공기극 △흡습성 하이드로젤 전해질 △고용량 알루미늄 음극으로 구성된다.

실생활 적용성을 높인 유지보수 및 확장 기술도 입증됐다.

연구팀은 전해질과 공기극은 유지한 채 소모된 알루미늄만 교체하는 기계적 재충전 방식을 적용해 1000회 반복 교체 후에도 0.7V 이상의 안정적인 전압을 유지함을 확인했다.

이를 통해 8000시간 이상 작동할 수 있는 가능성을 열었으며, 직·병렬 연결을 통한 전압·용량 확장도 입증했다.

실제 성능 평가에서는 유기전기화학 트랜지스터 기반 생체신호 센서와 결합해 심전도 및 근전도 신호를 실시간 측정하는 데 성공했으며, 최대 31.1dB(데시벨)의 우수한 신호 품질을 기록했다.

박성준 아주대 교수는 "이번 연구는 별도의 수분 저장 장치나 무거운 전원 없이 공기 중 수분만으로 초박막 전지의 건조와 금속 부식 문제를 동시에 해결했다는 점에서 의의가 크다"며 "향후 저비용 공기극 확보, 장기적 피부 안전성 검증, 대면적 공정 기술 등 후속 연구가 더해지면 완전 자립형 전자 피부와 실시간 건강관리 시스템 상용화가 한층 앞당겨질 것으로 기대된다"고 설명했다.

jjang@fnnews.com 장충식 기자