나노기술 및 정책 정보

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  라이스대학 연구진들이 기존의 리튬-이온 배터리에 비해 충전이 빠르고 기타 다양한 장점을 갖춘 3차원 마이크로 배터리 제조에 한 걸음 더 다가갔다. 이 배터리는 차세대 원격센서, 디스플레이 스크린, 스마트카드, 플렉시블 전자제품 및 생의학 소자 등에 전원을 공급할 수 있다.
  이 배터리는 , 플렉시글라스(Plexiglas)로 널리 알려진 범용 고분자인 PMMA (Polymethyl methacrylate, 폴리메틸메타크릴레이트)로 완전히 코팅한 니켈-주석 나노와이어의 수직 어레이를 채용했다. Pulickel Ajayan 교수 연구팀은, PMMA 기반 젤 전해질의 매끈한 층으로 단일 나노와이어를 신뢰성 있게 코팅하는 방법을 발견했다.

  PMMA 전해질은 이온은 통과시키되, 반대 전극으로부터 와이어를 절연시키는 역할을 한다. 본 연구결과는 12월 6일자 Nano Letters지 온라인 판에 보고되었다.

  “배터리 안에 두꺼운 벽으로 분리된 두 개의 전극이 있다. 여기서의 해결과제는, 전기화학이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 모든 구성 요소를 가능한 가까이 위치시켜야 한다는 점이다.”라고 기계공학, 재료과학 및 화학과 Ajayan 교수가 말했다.
  Ajayan 교수 연구팀은, 기존의 박막 배터리 보다 넓은 면적을 가진 확장 가능한 마이크로 소자 제조를 위해서 손톱만한 칩에 수 백만 개의 코팅된 나노와이어 숲을 만듬으로서 이 문제점을 해결했다고 믿고 있다.

  “리튬이온의 반응속도가 느려질 수 있기 때문에, 단순히 박막 배터리의두께를 조정할 수는 없다.”라고 Ajayan 교수는 말했다.

  “우리 연구진은 나노크기로부터 제시된 3차원 배터리 설계를 구축할 방법을 고민했다. 그리고 나노와이어의 높이를 증가시킴으로써, 리튬이온 확산 거리는 일정하게 유지하면서 에너지 저장량을 증가시킬 수 있었다.”라고 Ajayan 실험실의 대학원생인 Sanketh Gowda가 말했다.

  Gowda와 박사 후 연구원인 Arava Leela Mohana Reddy의 주도하에 연구진은 본 공정 개선을 위해 1년 이상 노력을 기울였다.

  “엄밀히 말하면, 3D 개념은 이미 기존에 존재하는 개념이다. 그러나 우리가 크게 개선한 부분은 길이가 긴 나노와이어에 PMMA를 균일하게 코팅하는 능력이다. 심지어 코팅에 있어 약간의 파열만 있어도 문제가 발생하게 된다. 동일한 방법을 보다 대용량의 나노와이어 시스템에 대해 시험하고 있는 중이다.”라고 Reddy가 밝혔다.
  본 제조공정은 연구진이 작년 Nano Letters (Coaxial MnO2/Carbon Nanotube Array Electrodes for High -Performance Lithium Batteries, Nano Lett., 2009, 9(3), pp 1002 1006, DOI: 10.1021/nl803081j)에 발표한 동축나노와이어 케이블 제조 관련 연구결과를 기반으로 했다. 이 새로운 연구에서, 연구진들은 양극화된 알루미나  템플릿기공안에 전착(electrodeposition)을 통해서 10㎛길이의 나노와이어를 성장시켰다.

  그 다음 간단한 화학 에칭 기술로 기공을 넓혔고, 위에서 아래까지 균일하게 코팅된 나노와이어를 얻기 위해 어레이에 PMMA를 드롭 코팅(drop-coated) 했다. 화학 세정으로 템플릿을 제거했다.
  연구진은 이로서 동일한 전극 길이의 평면 배터리 보다 훨씬 많은 에너지를 저장하고 충전 속도도 빠른 1 ㎠ 크기의 마이크로배터리를 만들었다. “3D 실현을 통해, 우리는 같은 공간 안에 더 많은 에너지를 전달 할 수 있게 되었다.”라고 Gowda가 말했다.
  연구진들에 따르면 PMMA 코팅이, 시간의 경과에 따라 문제가 발생할 수 있는 나노와이어와 액체 전해질 사이의 조건들을 안정화시켜 배터리 충전횟수를 증가시킬 것으로 믿고 있다. 연구진은 또한 실리콘 전극과 같이, 리튬이온이 이동할 때 어떻게 이러한 사이클링이 나노와이어의 확장과 수축에 영향을 미치는지를 연구중이다. 많은 충전/방전 사이클 이후에 측정한 나노와이어의 전자현미경 이미지를 보면, PMMA 코팅 상태는 파손, 심지어는 핀홀 조차 전혀 없었다. 이로서 코팅이 전극의 체적팽창을 견디어 낼 수 있고 배터리 수명을 연장시킨다는 것이 증명되었다. Hartley Family Foundation 및 라이스대학교가 연구 자금을 지원했다.

발표논문: Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Manikoth M. Shaijumon, Xiaobo Zhan, Lijie Ci, and Pulickel M. Ajayan, “Conformal Coating of Thin Polymer Electrolyte Layer on Nanostructured Electrode Materials for Three-Dimensional Battery Applications”, NanoLett., Article ASAP, DOI:10.1021/nl102919m, Publication Date (Web): December 6, 2010