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스마트폰·노트북 등 우리가 사용하는 대부분의 전자기기에 들어가는 리튬 배터리는 환경오염, 내부 소재의 변형 등 많은 문제가 있다. 이 문제의 개선책으로 등장하게 된 종이 배터리에 대해 자세히 알아보자.
배터리 세대교체의 시작
IT산업이 빠르게 성장한 데 비해 배터리 성능은 20년째 그대로다. 미국 IT전문매체 씨넷(CNET)에 따르면 배터리 성능은 1995년부터 2007년 사이 두 배도 성장하지 못했으며 2007년부터 2015년 사이에는 30%도 향상되지 못했다고 한다. 배터리 성능이 IT기술 발달 속도를 따라가지 못하는 이유는 기본적인 배터리의 구성 성분 때문이다. 배터리는 외부는 금속, 내부는 화학물질로 구성돼 있는데 이 화학물질을 더 많이 담는다 해도 배터리 성능이 크게 증가하지 않는다. 배터리 성능을 대폭 증가시키기 위해서는 제품의 소재 변화가 필요하다.
그래서 배터리 연구는 리튬 이온에 초점을 맞추기 시작했고 이후 등장한 것이 박테리아와 나노 셀룰로스를 전력원으로 사용하는 ‘종이 배터리’이다. 종이 배터리는 일반적인 배터리 제작법과는 다르다. 종이 표면에 금속과 다른 재료로 만든 얇은 층을 인쇄한 배터리를 만든다. 그런 다음 종이 위에 동결 건조된 유기물을 표면에 입히면 종이 배터리가 만들어진다.
여러 방면에서 종이 배터리는 현재 사용하고 있는 리튬 배터리보다 장점이 많다.
첫째, 비용이 적게 든다. 일반 리튬 배터리는 종이 기질과 결합할 수 없다는 점에서 더 비싼 기질을 연결시켜야 했지만 종이를 사용하게 되면서 비용을 절감할 수 있게 됐다.
둘째, 폴더블(foldable) 기기에 사용할 수 있다. 폴더블 기술 상용화가 가까워지면서 배터리의 중요성이 커지게 됐다. 그러다 보니 기존의 리튬 배터리의 높은 효율성과 유연성이 배터리에 요구된다. 종이 배터리는 이러한 조건을 충족시키고 있기 때문에 폴더블 기기에 적합하다.
셋째, 표면적이 넓다. 배터리의 효율은 내부 전자에 따라 좌우가 된다. 이때 표면적이 넓을수록 전자의 이동속도와 이동량이 많아져 효율이 높아진다. 종이 배터리는 표면적이 리튬 배터리보다 넓기 때문에 배터리 효율 면에서 더 좋은 평가를 받고 있다.
박테리아 종이 배터리
지난달 19일 미국 보스턴에서 열리고 있는 제256차 미국화학회(ACS) 연례학술대회 및 전시회에서 뉴욕주립 빙엄턴대 한인 과학자인 최석흔 부교수가 종이로 제작되고 박테리아로 구동되는 전지를 발표했다.
박테리아 종이 배터리라고 불리는 이 전지는 ‘엑소일렉트로겐’이라고 불리는 박테리아를 사용한다. 자신의 세포 바깥으로 전자를 전달하는 특별한 형태의 박테리아인데 수분이 닿으면 전자를 생성하는 활동을 한다. 생성된 전자는 세포막을 통과해 외부에 있는 전극과 접촉을 하고 전원을 공급한다. 이러한 성질을 이용해 배터리를 개발했다.
태양광이나 풍력 등 발전 설비가 없고 기존 배터리 이용도 어려운 밀림지대 같은 오지에서는 전기로 작동하는 질병 진단기기를 사용하거나 온도에 민감한 백신 등을 저장하는 일은 운반성이 좋은 전원장치 없이는 어렵다. 하지만 이제 이 역할을 박테리아 종이 배터리가 할 수 있게 됐다. 그러나 배터리의 짧은 수명 문제는 여전히 보완점으로 남아 있다.
나노 셀룰로스 종이 배터리
셀룰로스는 분자량이 가장 큰 다당류이며 식물·조류·난균류 등의 세포벽 구성 물질로 자연계에 가장 많이 존재하는 유기화합물이다. 셀룰로스를 나노 수준으로 분해한 고분자 물질이 나노 셀룰로스이다.
나노 셀룰로스를 이용한 종이배터리는 탄소나노튜브(6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1nm 크기의 미세한 분자)와 셀룰로스 종이를 결합해 만든 저장장치다. 기존 전지용량보다 3배 이상 증가해 장기간 동안 전력을 생산할 수 있고 독성이 없으며 저렴한 가격에 만들어낼 수 있다는 것이 장점이다.
또한 종이학을 접을 수 있을 만큼의 유연함을 가지고 있어 구부리고 비틀고 접는 것이 가능하며 필요한 모양으로 잘라도 본연의 성질과 효율성을 유지할 수 있다.
나노 셀룰로스 종이 배터리를 만드는 과정에서 핵심 기술은 사람 머리카락의 5만분의 1 두께인 셀룰로스 가닥들을 결함 없이 균일하게 코팅하는 것이다. 코팅 두께에 따라 충전용량과 속도를 획기적으로 조절할 수 있다.
종이 배터리의 전망
박테리아 종이 배터리 연구팀은 현재 4개월 정도의 배터리 수명을 연장하기 위해 박테리아의 생존과 성능을 향상시킬 수 있는 조건에 대해 연구하고 있다. 배터리를 활성화시키기 위해 물이나 타액을 추가해 2분 안에 용액이 박테리아에 활기를 불어넣어 발광 다이오드와 계산기에 전원을 공급할 수 있을 만큼의 전자를 생산해내는 것을 확인했다.
종이 배터리를 모든 전자 기기에 사용하기 위해서는 전지의 전력 성능을 1000배 정도 향상시킬 필요가 있다. 앞으로 여러 개의 종이 배터리를 쌓아 연결시킨다면 실현 가능할 것이다. 연구팀은 종이 배터리에 대한 특허를 신청하고 상용화를 위해 업계 파트너를 찾고 있다.
김나연·송준호 기자 gc5994@daum.net
