3-D 프린터를 이용해 모래알 크기의 리튬 이온 배터리를 만드는 획기적인 실험이 성공했다고 사이언스 데일리가 18일 보도했다.

이렇게 ‘인쇄’된 마이크로 배터리는 초소형 배터리가 없어 실험실에서 잠자고 있는 의약·통신 등 분야의 첨단기기에 전력을 공급할 수 있게 되는 등 3-D 프린팅의 활용도를 극적으로 확대할 전망이다.

하버드대와 일리노이 주립대(UIUC) 과학자들은 머리카락보다 가는 배터리 전극들을 정확하게 맞물린 여러 겹의 전극들을 ‘인쇄‘했으며 “이로써 우리는 배터리의 3-D 프린팅이 가능하다는 것을 실제로 보여 주었을 뿐 아니라 이를 가장 엄격한 방식으로 실현했다”고 첨단재료(Advanced Material) 저널에 발표했다.

최근 엔지니어들은 인체 삽입용 의학기기와 곤충을 모방한 비행로봇, 안경에 장착할 수 있는 초소형 카메라·마이크 등 여러 분야에서 초소형 기기들을 만들어냈지만 종종 기기 자체보다 큰 배터리 때문에 실용화하지 못하고 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 제조업체들은 얇은 필름형 고형 재료를 겹쳐 쌓는 방식으로 전극을 제조했지만 이런 고체 상태의 초소형 배터리들은 너무 얇아서 충분한 에너지를 저장하지 못하는 한계가 있었다.

연구진은 비(非)평면으로 제작한 초박형 전극을 치밀하게 맞물려 쌓으면 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 사실을 알게 됐고 3-D 컴퓨터에 착안했다.

3-D 프린팅은 이미 치과 보철물 제조에서부터 각종 상품의 신속한 원형 제작에 이르기까지 광범위한 분야에서 활용되고 있다.

연구진은 화학적·전기적 성질을 가진 다양한 기능성 잉크를 개발해 주문 제작한 3-D 프린터로 전자, 광학, 기계, 생물학적 특징을 원하는대로 부여한 정밀한 구조를 만들어 냈다.

이들이 나노 크기의 리튬 화합물을 이용해 만든 잉크는 전자화학적으로 활발해 양극과 음극의 기능을 하며 노즐에서 나오는 즉시 최종 형태로 굳어 초박막을 형성한다.

이렇게 만들어진 마이크로 배터리는 충전과 방전 속도, 사이클 수명, 에너지 밀도 등에서 상업용 배터리와 비슷한 수준으로 밝혀졌다.

한국 과학자들도 참여한 이 연구는 미국과학재단과 에너지부의 지원으로 이루어졌다.

연합뉴스