# PEO

## 개요

PEO(Polyethylene Oxide, 폴리에틸렌옥사이드)는 고분자 화학에서 중요한 역할을 하는 비결정성 또는 부분결정성의 고분자 물질로, 에너지 기술 분야, 특히 **고체 전해질 기반 리튬이온 배터리**에서 주목받고 있는 소재이다. PEO는 에틸렌옥사이드 단위(-CH₂-CH₂-O-)가 반복적으로 연결된 구조를 가지며, 우수한 이온 전도성과 유연성, 그리고 상대적으로 낮은 제조 비용 덕분에 차세대 배터리 기술에서 핵심 소재로 연구되고 있다. 본 문서에서는 PEO의 화학적 특성, 전지 응용에서의 역할, 장단점 및 최근 연구 동향을 중심으로 설명한다.

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## 화학적 특성

### 구조와 물리적 성질

PEO는 다음과 같은 반복 단위를 가지는 고분자이다:

```
-[CH₂-CH₂-O]_n-
```

- **분자량**: 일반적으로 수천에서 수백만 g/mol까지 다양하며, 분자량에 따라 물리적 성질(예: 점도, 기계적 강도)이 달라진다.
- **융점**: 분자량이 높을수록 높은 융점을 가지며, 일반적으로 60–70°C 사이에서 결정화 및 녹는 특성을 보인다.
- **결정성**: 낮은 온도에서 부분결정성 구조를 형성하지만, 고온에서는 비결정성(아모픽) 상태로 전이되어 이온 이동이 용이해진다.

### 이온 전도성

PEO는 리튬염(예: LiTFSI, LiClO₄)과 혼합될 경우 리튬 이온(Li⁺)을 용해시키고 이동시킬 수 있는 능력을 가진다. 이때 PEO의 산소 원자가 리튬 이온과 배위 결합을 형성하여, 고분자 사슬의 움직임을 통해 이온이 전도되는 메커니즘을 제공한다. 이는 **고체 고분자 전해질**(Solid Polymer Electrolyte, SPE)의 핵심 원리이다.

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## 배터리 응용

### 고체 전해질로서의 PEO

기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하지만, 이는 누출, 발화 등의 안전성 문제를 동반한다. PEO 기반 고체 전해질은 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.

#### 작동 원리

PEO 기반 고체 전해질은 다음과 같은 구성으로 작동한다:

- **고분자 매트릭스**: PEO가 리튬 이온의 전도 경로를 제공.
- **리튬 염**: 전해질 내에서 이온을 공급.
- **운전 온도**: 일반적으로 60–80°C에서 최적의 이온 전도도(10⁻⁴ ~ 10⁻³ S/cm)를 나타냄.

이온 전도도는 고분자의 유리전이온도(Tg)와 관련이 깊으며, Tg가 낮을수록 사슬 운동이 활발해져 이온 전도성이 향상된다.

#### 장점

- **안전성**: 액체 전해질 대비 누출 및 발화 위험 감소.
- **유연성**: 기계적 유연성 덕분에 다양한 형태의 배터리 설계 가능.
- **가공성**: 스피닝, 코팅, 필름 성형 등 다양한 공정 적용 가능.

#### 단점

- **낮은 실온 이온 전도도**: 실온에서 이온 전도도가 낮아(10⁻⁷ S/cm 수준) 가열이 필요.
- **산화 안정성 부족**: 고전압 양극(예: NMC, 리튬코발트산화물)과의 호환성 낮음.
- **기계적 강도 저하**: 고온에서 연화되어 내부 단락 위험 존재.

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## 연구 및 개선 기술

PEO의 단점을 극복하기 위해 다양한 개선 기술이 연구되고 있다.

### 1. 나노복합 고체 전해질 (NCPE)

PEO 매트릭스에 **세라믹 나노입자**(예: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂)를 첨가하여 이온 전도도와 기계적 강도를 향상시키는 방법이다. 세라믹 입자는 고분자 사슬의 결정화를 억제하고, 추가적인 이온 전도 경로를 제공한다.

### 2. 블렌딩 및 공중합

다른 고분자(예: PMMA, PAN)와 블렌딩하거나, 에틸렌옥사이드 단위에 다른 모노머를 공중합하여 Tg를 낮추고 전도도를 향상시키는 연구가 진행 중이다.

### 3. 교차결합 (Cross-linking)

고분자 사슬을 교차결합하여 고온에서도 기계적 안정성을 유지하도록 설계한다. 이는 배터리의 수명과 안정성 향상에 기여한다.

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## 향후 전망

PEO 기반 고체 전해질은 전기차, 웨어러블 기기, IoT 등에서 요구되는 **고안전성·고에너지밀도 배터리**의 핵심 소재로 성장할 가능성이 크다. 특히, 실온에서 작동하는 고성능 PEO 전해질 개발이 성공할 경우, 기존 액체 전해질 배터리를 대체할 수 있는 실용적 대안이 될 수 있다. 현재는 주로 실험실 수준에서 연구가 진행 중이지만, 산업화를 위한 스케일업 기술과 안정성 검증이 활발히 이루어지고 있다.

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## 관련 문서 및 참고 자료

- **[Solid Polymer Electrolytes: Materials Design and Recent Developments](https://doi.org/10.1039/C9TA01234A)** – Journal of Materials Chemistry A
- **Armand, M., et al. (2009). "Building better batteries."** *Nature*, 451(7179), 652–657.
- **고분자과학회지, "고분자 전해질의 최신 동향"**, 제45권, 제3호, 2023.

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> **요약**: PEO는 안전하고 유연한 고체 전해질 소재로서 차세대 배터리 기술에서 중요한 역할을 하고 있다. 낮은 실온 전도도 등의 과제는 존재하지만, 나노복합화, 공중합, 교차결합 등의 기술을 통해 성능 향상이 지속되고 있으며, 실용화 가능성이 점차 높아지고 있다.