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2015/12/07 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자

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[이달의 연구자] 그래핀, 강하고 오래가는 배터리 개발의 열쇠!

12월 이달의 연구자 박원일 교수(공과대학 신소재공학부)

김예랑

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/LHlB

내용
대학생의 상징인 노트북, 현대인의 필수품 스마트폰에는 리튬이온 배터리가 공통적으로 사용된다. 미래 세대의 이동 수단인 전기 자동차를 이끌어 갈 주역 역시 리튬이온 배터리다. 그러나 전기 자동차에 적용할 수 있을 정도의 대용량 리튬이온 배터리는 여전히 연구 단계에 머물러 있다. 강하고 오래가는 배터리 연구를 위해 박원일 교수(공과대학 신소재공학부)가 앞장섰다.

배터리, 왜 이렇게 빨리 닳죠?

▲ 박원일 교수는 "리튬 이온 배터리를 사용한 노트북과 휴대전
화는 배터리를 구성하는 실리콘의 손상으로 인해 수명이 짧아
지는 문제를 안고 있다"고 설명했다.

현대 사회에서 흔히 사용되는 여러 전자기기와 휴대기기에는 리튬이온 배터리가 사용되고 있다. 리튬이온 배터리는 2차 전지이다. 한번 사용하면 다시 충전하지 못하던 1차 전지와 달리, 다시 충전해서 사용할 수 있는 배터리를 2차 전지라 부른다. 이러한 2차 전지의 일종인 리튬이온 배터리는 양극와 음극 사이에 전해질이 위치하고, 리튬이온이 이 전해질을 따라 양극과 음극을 이동하면서 충전과 방전이 이뤄지는 방식으로 구성된다. 음극에 위치하던 리튬이온이 양극으로 이동하면 충전이, 반대의 경우에는 방전이 이뤄진다. 리튬이온 배터리는 작은 크기와 가벼운 무게에 비해 고용량의 전지를 발생시키기 때문에, 휴대기기에 많이 이용되고 있다.

방전 시 리튬은 음극에 위치해있기 때문에 음극 재료들은 리튬을 내보내는 역할을 수행한다. 기존에 사용되는 일반적인 음극의 구성 재료는 흑연이었다. 흑연의 틈으로 전해질을 타고 온 리튬이 이동하는 것이다. 그러나 최근에는 음극재료를 흑연에서 실리콘으로 교체하려는 연구가 꾸준히 이어져 왔다. 실리콘을 사용하면 흑연에 비해 에너지 밀도를 높여, 배터리 용량을 키울 수 있기 때문이다. 실리콘 음극 재료를 사용한 배터리는 충전과 방전을 계속할수록 급격하게 배터리 수명이 저하되는 큰 문제를 안고 있다. 리튬이 이동할 때 실리콘이 300배 이상 팽창하면서, 기기들이 쉽게 망가지기 때문이다. 박 교수는 "우리가 사용하는 스마트폰과 노트북의 배터리가 사용할수록 빠르게 닳는 것도 이러한 문제 때문"이라는 명쾌한 설명을 더했다. 박 교수는 이러한 문제점을 해결하려는 시도로 이번 연구를 시작했다.

높은 에너지로, 오래가는 배터리!

박 교수의 연구팀이 예측한 방법은 바로 음극 재료인 실리콘 표면에 그래핀 한 면을 성장시키는 방법이었다. 그래핀은 기존에 사용하던 흑연의 한 면을 의미한다. 즉, 흑연의 구성 원소인 탄소가 음극 재료인 실리콘의 표면에서 직접 막을 형성하도록 한 것이다. 예측은 적중했다. 리튬이 이동하면서 일어나는 화학반응과 실리콘의 팽창이 흑연의 그래핀 한 층으로 해소됐다. 탄소 결합의 일종인 그래핀은 벌집 모양으로 구성되어 있어 그 구조가 무척 안정적이기 때문에, 오늘날 연구에서 매우 각광받는 신소재로 손꼽힌다. 물리적 강도와 전도도가 높은 그래핀 덕분에, 실리콘의 부피가 팽창하면서 야기하던 구조 붕괴가 현저하게 줄어든 것이다. 그래핀은 실리콘의 팽창을 견딜만한 힘을 보유하고 있기 때문이다. 박 교수는 "실리콘의 높은 에너지 밀도와, 흑연의 물리적 강도를 결합시킨 연구"라고 정리했다. 이 기술이 상용화된다면 충전기와 콘센트를 벗어나지 못하던 현대인들이, 긴 시간 동안 배터리 방전 걱정 없이 휴대전화와 노트북을 사용할 수 있게 될 것이다.

▲ 박원일 교수 연구팀은 음극 재료의 손상을 최소화하기 위해, 실리콘의 표면에 흑연의 한 면인 그래핀을 성장시키는 방법을 사용했다.

또한 박 교수 연구팀은 음극 재료 표면과 그래핀의 결합을 위해 '반데르발스 힘(van der waals force)'을 이용한 결합 방식을 이용했다. 반데르발스 힘이란 두 분자 사이에 작용하는 인력을 의미한다. 분자 한 쪽이 팽창해도, 다른 한 쪽이 크게 영향을 받지 않는 결합방식이기 때문에 음극재료와 그래핀 사이에서 큰 손상을 받지 않아 구조적 안정성을 갖게 되는 셈이다. 박 교수의 연구는 말 그대로, 강하고 오래가는 배터리가 멀지 않았음을 시사한다. 미래 최첨단 기술의 집약체로 손꼽히는 '전기자동차' 역시 리튬이온 배터리가 핵심적 역할을 할 것으로 기대되고 있다. "그러나 문제는 자동차에 쓰일 만큼 크기가 작고 가벼우며, 용량은 크고, 알맞은 가격 대의 리튬이온 배터리는 아직 개발단계에 놓여있다는 점입니다." 박 교수는 "리튬이온 배터리에 대한 연구가 계속된다면, 휴대용 기기를 넘어 전기 자동차에 상용화 되는 날도 머지 않을 것"이라고 말했다.

작은 재료들이 세상을 바꾸다


연구에는 1년 정도의 시간이 소요됐다. 박 교수는 "배터리라는 것이, 사용하면서 언제 문제가 발생할 지 예측하기 어려운 기기이므로 지속적인 관찰을 위해 긴 연구가 필요했다"고 말했다. 배터리 전체 수명을 연구해야 하므로, 배터리의 충전과 방전을 지속적으로 관찰해야 하고 반복적으로 실험해야 했기 때문이다. 박 교수는 신소재, 특히 그 중에서도 나노 분야와 광 소재에 많은 관심을 갖고 있다. "더 열심히 연구해야 하겠지만, 작은 재료들이 모여 첨단 기기가 되고, 결국 세상을 바꾸는 것이 신소재의 매력이 아닐까 싶습니다." 끝으로 박 교수는 연구에 힘쓰며 과학의 발전을 위해 노력하고 있는 수많은 한양인들에게 조언을 건넸다. "과학을 공식 암기의 과목이라 생각하지 말고, 주변에서 발견하는 현상들을 이해하는 과정이라고 생각하면 좋겠습니다. 또한 원하는 목표까지 도달하지 못하더라고, 미리 포기하고 아무것도 시도해 보지 않는 것보다는 훨씬 더 성숙된 자신을 발견할 수 있지 않을까요?


 

▲ 끝으로 박원일 교수는"흔히 신소재라 불리는 작은 재료들이 모여 첨단 기기가 되고, 결국 세상을 바꾸는 것이 이 분야의 매력"이라는 말을 덧붙였다.


김예랑 기자 ys2847@hanyang.ac.kr
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사진/이명지 기자 jk6180@hanyang.ac.kr

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