▲ 이온젤 전해질 모식도

손상없이 휘거나 구부릴 수 있는 플렉서블 및 웨어러블 소자는 에너지 생산 및 저장소자, 센서, 디스플레이 등 다양한 영역에서 차세대 기기로 각광 받고 있는 가운데 기계적 내구성과 전기전도성을 동시에 구현해낸 젤 전해질이 개발됐다.

한국과학재단은 5일 서울시립대 문홍철 교수 연구팀이 랜덤공중합체를 기반으로 고성능 고체 젤 전해질을 개발해, 수천 번 소자를 구부려도 성능 저하가 없는 플렉서블 디스플레이 구현에 성공했다.

전해질(electrolyte)을 필수 구성 요소로 포함하는 배터리, 슈퍼커패시터, 전자 피부 등의 전기화학 소자에서도 플렉서블/웨어러블화를 위해 기존의 누액 문제 등의 단점이 있는 액체 전해질이 아닌 고성능 고체 전해질 개발 및 활용에 대한 관심이 높으나, 전통적 고체 전해질인 고분자와 염(salt)의 복합체는 상온에서 기계적 강도는 충분히 높은 반면 이온전도도가 액체 전해질에 비해 현저히 떨어져 상온에서 사용되는 전기화학 소자 구현에 큰 제약이 되고 있다.

고체 전해질은 기계적 물성이 뛰어난 반면 이온전도도가 낮아서 상온에서 사용되는 소자 적용에 한계가 있어 하나를 향상시킬 때 다른 하나는 저하되는 트레이드-오프 관계에서 벗어나 기계적 물성과 이온전도도가 모두 개선된 새로운 전해질이 필요하다.

연구팀은 두 가지의 단량체가 무작위로 연결된 랜덤공중합체를 이용하여 상온에서도 이온전도도와 기계적 강도 모두 우수한 젤 전해질을 개발해냈다.

이 방법에서는 복잡한 고분자 합성 공정이 필요하지 않고, 젤의 물리적 결합만으로 고성능 전해질 제작이 가능하다는 장점이 있다.

또 개발된 젤 전해질을 활용하여 전기를 가하면 색이 변하는 전기변색소자를 제작했다.

수천 번 소자를 구부려도 성능 저하가 없는 플렉서블 디스플레이 구현에 성공한 것이다.

▲ 문홍철 교수

문홍철 교수는 “이 연구는 트레이드-오프 관계로 알려진 이온전도도와 기계적 강도를 동시에 만족할 수 있는 고성능 고체 전해질을 개발한 것”이라며, ”배터리, 슈퍼커패시터, 전자피부, 전기화학 디스플레이 등 전기화학반응을 활용하는 모든 전자소자에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다“고 설명했다.

이 연구 성과는 재료분야 저명한 국제학술지 어드밴드스 펑셔널 머트리얼즈(Advanced Functional Materials) 최신호에 표지 논문(front cover)으로 게재되었다. (Mechanically Robust, Highly Ionic Conductive Gels Based on Random Copolymers for Bending Durable Electrochemical Devices)