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나무에서 미래 창조 임업을 찾다
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나무에서 미래 창조 임업을 찾다
  • 영남방송
  • 승인 2014.10.13 11:56
  • 댓글 0
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윤영균 산림청 국립산림과학원장

돌돌 말아 보관할 수 있는(Roll-up) 디스플레이, 입을 수 있는(Wearable) 디바이스 등 인류의 삶을 편리하게 해줄 첨단 기기들이 속속 등장하고 있다. 여기에 발맞춰 다양한 전기화학소자에 적용할 수 있는 ‘유연한 재료’에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

최근에는 국립산림과학원과 울산과학기술대학교가 공동 연구로 목재로부터 얻은 나노셀룰로오스로 제조한 나노 분리막에 음·양극 전극을 물리적으로 결합해 만든 ‘플렉시블 리튬이온전지(Flexible Lithium-ion Batteries)’를 세계 최초로 개발해 눈길을 끌고 있다. 일반 종이를 전극의 바인더로 이용하는 연구는 활발히 진행 중이나 나노셀룰로오스를 전극의 바인더로 적용한 사례는 아직 보고된 바 없어 더욱 이목이 집중되고 있다.

이번 연구는 나노 기술과 관련된 획기적인 결과만을 발표하는 세계 최고의 영향력을 지닌 논문집 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 9월 16일자에 소개되기도 했다.

이번에 개발된 플렉시블 리튬이온전지는 스마트 손목시계, 구글 글라스, 두루마리 디스플레이 등 각종 웨어러블 전자기기의 전원으로 다양하게 활용 가능하다. 이와 관련해 미국에서는 미군들이 각종 전자기기를 몸에 쉽게 지닐 수 있도록 하기 위해 ‘아이언맨 프로젝트’라는 대형 과제를 진행 중이라고 한다. 이처럼 플렉시블 리튬이온전지는 세계 과학자들이 가장 주시하고 있는 분야 가운데 하나다.

나노셀룰로오스는 목재의 주성분인 셀룰로오스로부터 제조된다. 나무에서 얻어지는 셀룰로오스는 친환경적이며 지구상 가장 풍부한 자원이다. 게다가 기존 화학 합성 소재와 비교해 가격 경쟁력이 매우 우수하다. 셀룰로오스는 나노미터 크기의 길이와 지름을 갖는 일종의 1차원 나노 구조 섬유의 특징을 갖는다.

이러한 나노셀룰로오스를 전지에 적용하게 되면 1차원 구조의 특징으로 인해 리튬이온 및 전자 이동을 원활하게 할 수 있다. 나노셀룰로오스로 이루어진 종이 분리막은 나노 크기의 구조로 인해 전극과 밀접하게 연결된 일체형 구조를 만든다. 이는 전극과 종이 분리막 사이에 안정된 계면을 형성해 외부의 힘으로 변형이 일어나더라도 전지의 성능을 유지할 수 있게 된다. 즉 전지의 플렉시빌리티(Flexibility)가 개선되는 것이다.

이번 개발에 성공한 연구팀은 기존 리튬이온전지의 분리막 소재인 다공성 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 나무에서 얻은 다공성 셀룰로오스 나노 섬유로 대체했다. 이렇게 개발된 플렉시블 리튬이온전지는 마음대로 구부릴 수 있을 뿐 아니라 이온전도도 및 전자전도도가 우수해 고용량 및 고출력을 구현할 수 있는 장점이 있다.

무엇보다도 내열성이 우수한 나노종이 분리막과 전극을 새로운 기술로 일체화시켰기 때문에 형태 변형이나 고온 노출로부터 유발될 수 있는 전지 발화 및 폭발 등의 위험이 없다.

반면 기존 리튬이온전지는 음극 전극, 분리막, 양극 전극, 전해질의 4대 핵심 요소로 구성돼 있다. 정형화된 구조 때문에 물리적 유연성이 부족해 플렉시블 전지에서 요구하는 디자인 다양성을 충족하기에는 어려움이 있다.

또 금속 집전체 위에 전극 혼합물을 도포하는 방식은 전지를 구부릴 경우 전극 층이 금속 집전체에서 이탈될 우려가 있다. 또 열에 취약한 플라스틱계 분리막은 발열 또는 폭발의 위험도 안고 있다.

리튬이온전지 연구의 최종 목표는 전지의 고용량, 고출력, 고안전성, 저가화를 달성하는 것이다. 구조·물성·가격적 측면에서 높은 경쟁력을 지닌 나노셀룰로오스는 매력적인 소재일 수밖에 없다. 국립산림과학원은 세계 최초로 3차원 구조의 음·양극 전극을 일체화시킨 종이배터리(All cellulose battery)를 개발하기 위한 연구에 착수했다.

10월 7일 국립산림과학원에서 국내 최초로 ‘나노셀룰로오스의 기초와 응용에 관한 심포지엄’이 개최된다. 미국, 캐나다, 프랑스, 일본, 한국 등 세계 최고의 산·학·연 전문가가 한자리에 모여 나노셀룰로오스 관련 연구 성과와 실용화 현황 및 전망 등에 관한 정보를 공유할 것이다.

국내 산림소재 응용 분야의 활성화를 위한 기반 및 산림자원을 이용한 창조 경제의 실현 가능성을 확인하는 자리가 되길 희망한다.


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