웨어러블 시대를 앞당길 케이블형 플렉서블 배터리.세계 최초 선형 전지, LG화학 케이블형 플렉서블 배터리 탄생기 – LG 공식 블로그
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웨어러블 시대를 앞당길 케이블형 플렉서블 배터리.세계 최초 선형 전지, LG화학 케이블형 플렉서블 배터리 탄생기

작성일2014-12-03

손목에 찬 밴드로 나의 움직임을 기록하고, 옷으로 나의 진행 방향을 표시합니다. 축구 선수들의 유니폼에 부착된 무선 센서는 선수들의 움직임 하나하나를 컴퓨터로 전달하고, 마라톤 선수의 유니폼은 광고나 다양한 정보를 제공하는 ‘움직이는 전광판’이 됩니다.

웨어러블 기기 착용 모습

최근 들어 몸에 부착하고 자유롭게 움직일 수 있는 ‘웨어러블 기기’들이 많은 각광을 받고 있습니다. 이런 기기들은 갈수록 스마트해지고 패셔너블해지고 있는데요. 스마트하다는 것은 그만큼 전력 소모가 크다는 것이고, 패셔너블하다는 것은 그만큼 기기가 더 유연해져야 한다는 것을 의미합니다. 하지만 여기엔 문제가 하나 있었습니다. 바로 배터리. 디스플레이나 다른 부품 기술은 어느 정도 뒷받침되었지만 플렉서블 배터리 기술은 구부러지는 정도에서 크게 벗어나지 못하고 제자리걸음을 하고 있었던 거죠.

가래떡처럼 뽑아서 만드는 배터리

연구원들의 연구 모습

LG화학에서 전기자동차 배터리를 연구하던 김제영 연구위원은 2009년 어느 날 ‘배터리도 가래떡처럼 뽑는 방식으로 만들면 어떨까?’라는 생각을 하게 됩니다. 그렇게 할 수 있다면 생산단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 플렉서블, 웨어러블을 넘어선 패셔너블한 신개념 배터리를 만들 수 있을 거라는 확신이 들었던 거죠. 그는 후배 연구원과 함께 연구를 시작합니다. 하지만 그 과정은 난관의 연속이었습니다.

일반적으로 전지는 양극, 음극, 분리막, 그리고 전해액이라는 네가지 필수 요소가 있다. 최근에는 작은 크기의 고용량을 원하는 흐름에 맞춰 배터리가 고밀도화 되었다. 때문에 구부리기 쉽지 않을 뿐만 아니라 구부리면 양극과 음극이 만나 합선이 나는 등 전지의 구조가 깨질 수 있다. 또한 구부릴 수 있게 얇게 만든다면 기대하는만큼의 전략을 뽑아낼 수 없었다. 그렇다면 LG화학은 어떻게 케이블용 플렉서블 전지를 만들 수 있었을까? 그것은 바로 LG화학의 독자적인 기술인 할로우앤스파이럴 구조였기에 가능했다. 선형의 음극 와이어, 분리막, 양극순으로 감은 후 비어있는 중심부에 전해액을 넣어주는 구조가 바로 할로우앤스파이럴 구조다.
김제영 부장 (LG화학 Battery 연구소, 자동차, EV선행PJT) : 할로우앤 스파이럴 구조 즉 속이 비어있고 나선처럼 꼬여있는 스프링과 같은 구조입니다. 완전히 전극구조 자체가 스프링과 같기 때문에 거기서 저희가 원하는 형태의 플렉스블리티, 즉 유연성을 가질 수 있었던 것이구요.
권요한 대리 (LG화학 Battery 연구소, 자동차, EV선행PJT) : 케이블 전지에서 전해액을 어떻게 넣을까가 상당히 고민이거든요. 그걸 해결하기 위해서 안을, 가운데를 뻥 뚫습니다. 그럼 그것이 안에 전해액을 갖다 넣어줄 수 있는 부분이고요. 그래서 할로우하게 만들게 되면 전해액이 이제 전극 내부로 다 들어갈 수 있는 구조가 되고요.

일반적으로 전지는 양극제, 음극제, 분리막, 그리고 전해액이라는 네 가지 요소로 구성되어 있습니다. 문제는 배터리를 가래떡처럼 뽑아냈더니 이들이 내부에서 엉켜 배터리 기능이 손상되는 것이었습니다. 김 연구위원은 이를 해결하기 위해 ‘스프링 구조’를 생각해냈습니다. 바로 LG화학의 독자 기술인 할로우 앤 스파이럴(Hollow & Spiral) 구조인데요. 지금까지 면으로 만들어졌던 전극을 스프링 형태로 만들고, 그 안에 겔
형태의 전해질을 채운 것입니다.

케이블형 플렉서블 배터리

그렇게 만들어진 것이 바로 위와 같이 생긴 케이블형 플렉서블 배터리입니다. 마치 전선 같지요? 케이블형 배터리는 전선처럼 어느 방향으로든 마음대로 휘고 감을 수 있기 때문에 제품 활용도가 매우 높은데요. 이 때문에 ‘웨어러블 스마트 기기’에 반드시 필요한 첨단기술이라고 할 수 있습니다.

도움을 청하는 것은 부끄러운 것이 아니다

하지만 문제는 이것이 끝이 아니었습니다. 케이블형 배터리를 만드는 데엔 성공했지만 스마트 시계와 같은 기기 하나를 구동할 수 있는 충분한 양의 전기를 담을 수는 없었던 것입니다. 이때 김 연구위원이 생각해낸 해결책은 바로 다른 이들의 지혜를 빌리는 ‘협업’이었습니다.

2010 LG화학 테크페어

2010년 LG화학 테크페어에서 연구성과를 발표하고 있는 김제영 연구위원

LG화학에서는 매년 한 해의 연구성과를 공유하는 오픈 이노베이션
행사 ‘테크페어(Tech Fair)’를 열고 있는데요. 2010년 12월 케이블형 플렉서블 배터리 연구원들은 이 자리에서 매우 ‘쑥스러운’ 보고를 하게 됩니다. 자신들의 연구가 기술적으로 얼마나 부족한지를 공개적으로 알리고 도움을 구한 것이죠. 자존심이 상하는 일이기도 했지만 현재 수준을 정확히 오픈하고 사내 2000여 명의 집단지성의 힘을 빌어 문제를 해결하기로 한 이 정공법은 주효했습니다. 테크페어 후 사내에서 각종 아이디어가
쇄도했고, 연구원 밖에서도 도움을 받아 배터리 용량 문제를 해결할 수 있게 된 것입니다. 당시 연구원들의 심정을 들어봤습니다.

권요한 대리 (LG화학 Battery 연구소, 자동차, EV선행PJT) : 처음에 테크페어나 그런 데 보여줬을 때 용량도 나오지 않고 아주 조악한 형태로 나왔지만 부장님은 한 번 해보라고, 그리고 한 번 해보고 공유해 보자고!
김제영 부장 (LG화학 Battery 연구소, 자동차, EV선행PJT) : 좋지 않은 결과를 발표하는 게 연구원으로서는 자존심이 상할 수 있고 창피할 수 있거든요. 그런데, 저희의 약점 또는 저희의 현재까지 수준에서 정확하게 오픈하고 도움을 많이 요청했던 것, 그런 것들이 제가 보기에는 성공의 요인이라고 생각합니다.

어드밴스드 머테리얼스

이렇게 탄생한 케이블형 플렉서블 배터리 기술은 소재 분야 최고의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머테리얼스(Advanced Meterials)’ 지의 2012년 10월호 표지 논문으로 선정되는 영광을 안았습니다. 현존하는 플렉서블 배터리 중에서 기술적으로 가장 뛰어나다는 평가를 받은 것입니다. 그뿐만 아니라 이 기술은 68건의 국내 출원과 10건의 등록, 49건의 해외 출원과 6건의 미국 등록 특허를 확보했습니다. 최근에는 글로벌 IT업체와 스포츠의류 회사에서 직접 제품 제안이 오는 등 시장에서도 고객들의 관심이 뜨겁습니다.

남다른 발상, 자유로운 연구, 오픈 이노베이션의 삼박자

케이블형 플렉서블 배터리 개발을 주도한 연구원들은 배터리 개발의 성공배경을 LG화학의 자유로운 연구 분위기와 오픈 이노베이션의 힘에서 찾습니다. 김제영 연구위원은 “이 연구가 정식 과제였다면 마감시간에 쫓기고, 보고 압박에 시달리느라 창의적인 결과물을 만들지 못했을 것”이라고 말합니다.

실제로 LG화학 기술연구원은 연구원들이 창의력을 마음껏
발휘할 수 있도록 자유로운 연구환경을 조성하는 데 힘쓰고 있습니다. 연구원들은 관심이 있는 주제가 있으면 연구원장에게 “이런 연구를 하고 싶다”고 보고만 하면 됩니다. 연구원장의 승인을 얻으면 본업을 제쳐두고 연구에 몰두할 수 있고 연구 진행상황도 2~3개월에 한 번씩만 보고합니다. 이번 케이블형 플렉서블 배터리도 LG화학의 자유 연구활동인 ‘리서치 인포멀(research informal)’이 모태가 되었습니다.

케이블형 배터리 10

또한 LG화학은 연구원간의 협업을 장려하기 위해 2006년부터 오픈 이노베이션을 위한 다양한 제도를 도입하고 있습니다. 사실, 연구성과가 바로 실적이 되는 연구원 내의 분위기 때문에 ‘협업’ 자체가 불가능하던 시절도 있었습니다. 하지만 LG화학 기술연구원은 수시로 공개 토론회를 열어 협업이 얼마나 연구에 도움이 되는지 연구자들이 스스로 체감하도록 했고, 다른 팀이 부딪힌 문제에 해결방안을 제시하는 연구원에게는 상금으로 포상했습니다. 직원들이 스스로 머리를 맞댈 수 있도록 다양한 모임에 자금도 지원했습니다.

케이블형 배터리 40

케이블형 플렉서블 배터리의 탄생은 연구원들의 남다른 발상과 열정, 연구결과를
정확히 공개했던 솔직함 외에도 이들의 창의력을 뒷받침하는 제도와 환경적인 노력이 있었기에 가능한 쾌거였습니다. 지금도 LG화학에서는 친환경 에너지 소재, 차세대 디스플레이 소재, 고기능성 소재 등 다양한 신기술들이 세상에 나올 날을 기다리고 있는데요. 어떤가요? 여러분. 앞으로의 기술들이 더 기대되지 않나요? 세상을 좀더 편리하고 살기 좋게 바꾸려는 LG화학의 노력은 앞으로도 쭈욱~~~ 계속될 것입니다.

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