공기 수분으로 작동하는 초박막 피부 전지 구현

박성준 아주대학교 전자공학과·지능형반도체공학과 교수 연구팀이 충남대, 광주과학기술원(GIST)과 함께 공기 중 수분을 흡수해 전기를 생산하는 피부 부착형 알루미늄-공기 전지를 개발했다. 전지 두께는 200마이크로미터(㎛) 이하로, 얇고 유연한 전원이 필요한 전자 피부와 웨어러블 헬스케어 기기에 적용할 수 있도록 설계됐다.

전지는 초박막 스테인리스강 그물망 기반 공기극과 염화리튬 기반 흡습성 하이드로젤 전해질, 고용량 알루미늄 음극으로 구성됐다. 연구팀은 이 전지를 유기전기화학 트랜지스터 기반 생체신호 센서와 결합해 심전도와 근전도를 실시간 측정했으며, 신호 품질은 최대 31.1데시벨(dB)에 달했다. 직렬·병렬 연결을 통한 전압과 용량 확장 가능성도 확인했다.

알루미늄-공기 전지는 알루미늄의 산화와 공기 중 산소의 환원 반응을 이용한다. 산소를 양극 활물질로 사용해 무거운 양극 소재를 줄일 수 있고, 물 기반 수계 전해질을 적용해 화재와 폭발 위험이 상대적으로 낮다. 다만 전지를 얇게 만들면 전해질과 수분 저장량이 함께 줄어 건조 시 이온 전도도와 산소환원 반응이 약해지고, 수분이 지나치게 많으면 알루미늄 음극의 자가부식이 빨라지는 문제가 있었다.

연구팀은 고농도 염과 물 분자의 상호작용을 활용해 전해질 건조를 막고 알루미늄과 물 사이의 부반응을 억제했다. 이 구조는 200㎛ 이하에서도 이온 전도 경로와 산소환원 반응을 유지했다. 소모된 알루미늄 음극만 바꾸는 기계적 재충전 방식으로 1000회 교체한 뒤에도 0.7볼트(V) 이상의 전압을 냈으며, 8000시간 이상 작동 가능성도 확인됐다. 연구 결과는 소재 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’에 7월 온라인 게재됐다.