국내 연구진이 화재 위험이 낮고 유연성이 뛰어난 섬유형 아연전지의 고질적 문제인 전극 표면 덴드라이트(Dendrite·나뭇가지 모양 결정) 형성을 억제하고, 미터(m) 단위로 연속 대량 생산할 수 있는 전극 및 공정 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 초물성전도소재연구센터 김남동·정현수 박사, 전북대학교 이차전지공학과 김정길 교수, 한국과학기술원(KAIST) 이진우 교수·이지성 박사, 강원대학교 임형규 교수 공동연구팀은 탄소나노튜브 복합소재와 전용 연속 전기도금 공정을 융합해 고내구성 섬유형 아연 음극의 연속 제조 기술을 확보했다.
물 기반 전해질을 사용하는 수계 아연전지는 발화 및 폭발 위험이 없어 차세대 웨어러블 및 피지컬 AI(Physical AI) 기기의 전원으로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 시 아연 음극 표면에 덴드라이트가 불균일하게 성장해 내부 단락을 유발하고 전지 수명을 단축시키는 한계가 있었다.
특히 원통형 섬유 전극은 평면 전극보다 전기장과 이온 흐름의 편차가 커 덴드라이트 성장이 가속화되며, 기존 공정으로는 제작 길이가 약 10cm 내외에 머물러 실제 산업 적용에 어려움이 따랐다.
연구팀은 액정방사(Liquid Crystal Spinning) 공정을 적용해 표면에 산소작용기가 도입된 탄소나노튜브를 고도로 정렬·집적한 복합 섬유 음극(OCNTF)을 제조했다. 탄소나노튜브 표면의 산소작용기는 아연 이온의 균일한 흡착을 유도하는 활성점 역할을 하며, 정렬된 나노튜브 사이에 형성된 미세한 '계곡(Valley)' 구조는 아연의 우선 핵생성 자리로 작용해 표면 전반에 걸친 균일한 전착을 유도한다.
연구팀은 제일원리계산을 통해 해당 계곡 구조에서 아연의 결합에너지가 가장 안정적임을 원자 수준에서 검증했다. 이 구조를 통해 아연 전지의 주된 열화 원인인 수소 발생과 부식 반응을 차단했으며, 섬유형 양극과 결합한 완전전지(Full-cell) 평가에서 800회 충·방전 후에도 초기 용량의 85%를 유지했다.
이와 함께 연구팀은 실험실 단위 배치 공정을 벗어나 산업적 규모로 확장 가능한 섬유 전극 전용 연속 전기도금 시스템을 독자 설계했다. 해당 설비는 섬유 공급, 사전 습윤, 아연 도금, 세척, 건조, 권취에 이르는 전 과정을 끊김 없이 롤투롤(Roll-to-Roll) 형태로 구동한다.
연구팀은 이 공정을 통해 1m 길이의 섬유형 아연 음극 및 배터리를 성공적으로 제작했으며, 1만 회 반복 굽힘 시험 후에도 초기 용량의 89.8%를 보존하는 기계적 내구성을 입증했다. 구현된 에너지밀도는 151.0μWh tex⁻¹로 기존 보고된 섬유형 아연전지 대비 높은 수준을 나타냈다.
제작된 전극은 직조나 편직, 절단이 가능해 형태 자유도가 높다. 연구팀은 이를 유연 태양전지 및 변형 감지 센서와 통합해 군용 전투복에 적용하는 실증 평가를 진행했다. 주간에는 태양광으로 전력을 충전하고 야간에는 저장된 에너지를 통해 신체 동작 감지 센서를 안정적으로 구동하는 분산형 전원 체계를 확인했다.
KIST 김남동 박사는 “이번 성과는 소재 설계와 연속 생산 공정을 융합해 섬유형 아연전지의 덴드라이트 성장과 길이 한계 문제를 동시에 극복한 것”이라며 “향후 소재·부품 기술 자립을 위한 임무중심 연구를 지속하겠다”고 말했다.
전북대 김정길 교수는 “연속 생산 공정을 추가 고도화해 웨어러블 디바이스뿐만 아니라 피지컬 AI 기기의 공간 제약을 해소하는 전원 기술로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 산업통상부의 지원(KIST 주요사업, 한국연구재단 RS-2024-00412289, 한국산업기술기획평가원 RS-2023-00257573, 국가과학기술연구회 CPS25011-100)으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 2026년 7월 2일 온라인 게재됐다.
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이은아 기자[email protected]