국내 연구진이 공기 중 수분을 흡수해 전기를 생산하는 두께 200마이크로미터(㎛) 이하 피부 부착형 알루미늄-공기 전지를 개발했다.
아주대학교는 박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수 연구팀이 충남대, 광주과학기술원(GIST)과 공동으로 초박막 알루미늄-공기 전지를 개발했다고 7일 밝혔다.
연구팀은 새 전지를 유기전기화학 트랜지스터 기반 생체신호 센서와 결합해 심전도와 근전도 신호를 실시간 측정했고, 최대 31.1데시벨(dB)의 신호 품질을 확인했다.
알루미늄-공기 전지는 알루미늄 산화 반응과 공기 중 산소 환원 반응으로 전기를 생산하는 장치다.
공기 중 산소를 양극 활물질로 사용해 무거운 양극 소재를 줄일 수 있고, 물 기반 수계 전해질을 써 화재·폭발 위험이 상대적으로 낮다.
피부에 붙이는 전자 피부나 웨어러블 헬스케어 기기 전원으로 쓰려면 전지를 얇고 유연하게 만들어야 한다. 하지만 두께를 줄이면 전해질 양과 수분 저장 능력도 감소한다. 전해질이 마르면 이온 전도도와 산소환원 반응이 떨어지고, 수분이 많으면 알루미늄 음극의 자가부식이 빨라진다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 공기 중 수분을 스스로 흡수하는 염화리튬 기반 흡습성 하이드로젤 전해질을 적용했다. 고농도 염과 물 분자의 상호작용으로 전해질 건조를 막고, 알루미늄과 물 사이의 부반응을 억제하는 방식이다.
전지는 초박막 스테인리스강 그물망 기반 공기극, 흡습성 하이드로젤 전해질, 고용량 알루미늄 음극으로 구성됐다. 이 구조로 200㎛ 이하에서도 이온 전도 경로와 산소환원 반응을 유지했다고 연구팀은 설명했다.
소모된 알루미늄 음극만 교체하는 기계적 재충전 방식도 제시했다. 전해질과 공기극은 그대로 두고 알루미늄만 바꾼 결과 1000회 반복 교체 뒤에도 0.7볼트(V) 이상의 전압을 유지했다. 연구팀은 8000시간 이상 작동 가능성과 직렬·병렬 연결을 통한 전압·용량 확장도 확인했다.
박성준 교수는 “별도 수분 저장 장치 없이 공기 중 수분으로 초박막 전지의 건조와 알루미늄 부식 문제를 동시에 해결했다”며 “후속 연구가 이어지면 자립형 전자 피부와 웨어러블 건강관리 시스템 구현으로 이어질 수 있다”고 말했다.
연구 결과는 소재 분야 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 7월 온라인 게재됐다.
수원=김동성 기자 estar@etnews.com
