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2019-01 14

[학술][우수 R&D] 선양국 교수(에너지공학과)

‘GET-Future(겟 퓨처)’는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP)이 진행하는 차세대 전지 연구인력 양성 사업이다. 이 프로그램은 우수한 연구 인력을 양성하고, 앞으로 이차전지가 필수인 국제 상황에 적합한 에너지 기술 상용화 연구 단계를 밟는다. “현재 실험 중인 전지를 지속해서 발전시킨 뒤, 실제 상용화를 위한 세계 최고 연구실 구축과 전문인력 확보가 목표”라는 선양국 교수(에너지공학과)를 만나 자세한 사업 방향과 연구 기술의 다양한 활용 형태를 물었다. Get future, 미래 동력을 얻어라 한국 이차전지 산업의 역사는 짧다. 이차전지 산업의 급속한 성장을 이룩한 한국은 다른 전지 사업 선진국에 비해 전문인력 공급과 개발 지원이 부족하다. 이미 오래전부터 ‘리튬-이온 전지’를 뛰어넘는 차세대 이차전지 개발을 진행해 온 미국과 캐나다, 일본, 프랑스 등은 개발한 전지의 상용화를 위한 본격적인 사업에 착수했다. 그러나 차세대 이차전지인 ‘리튬-설퍼 전지’, ‘리튬-공기 전지’, ‘나트륨-이온 전지’는 아직 실용화 단계에서 여러 문제점에 부딪힌 상태다. 이 세 가지 이차전지는 더 많은 연구를 거쳐 최소 오는 2020년까지 실용화될 예정이다. ▲ 세계 배터리 시장 전망과 제품별 연간 매출액 추이 및 전망. (xEV: 전기자동차, ESS: 신재생에너지, IT: 정보통신) (선양국 교수 제공) 시장조사기관SNE리서치와 IBK투자증권에 의하면 전체 배터리 시장은 오는 2025년까지 연평균 27% 증가할 것으로 예상된다. 세계 각국은 리튬-이온 전지의 기술적 한계를 예상해 전지의 성능을 높이고자 노력 중이다. 개발도상국을 포함한 전 세계 195개국의 환경규제 강화와 많은 국가의 내연기관차 판매중단 계획 발표도 한 몫했다. 세계 시장은 급격히 팽창하고 있는데, 국내 기업의 시장 점유율은 아직 낮다. 이에 선양국 교수와 연구팀은 ‘포타슘-이온 전지’ 개발과 함께 이를 뛰어넘는 차세대 전지 개발 및 실제 상용화를 위한 ‘GET-Future’ 사업을 시작했다. ▲선양국 교수(에너지공학과)는 새롭게 개발 중인 차세대 이차전지가 적어도 향후 20년은 사용될 것이라고 말했다. 소형 전지 에너지부터 신재생 에너지까지 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬-이온 전지를 거쳐 새로운 결합으로 개발 중인 차세대 이차전지(리튬-설퍼 전지, 리튬-공기 전지, 나트륨-이온 전지)는 리튬-이온 전지 대비 최소 3배에서 최대 10배의 에너지 밀도를 구현한다. 선 교수는 중대형 이차전지 핵심소재의 원천 기술을 개발하고 국내 친환경 에너지 산업의 국제 경쟁력 확보에 기여할 예정이다. 그는 “차세대 이차전지는 기존 소형 전지부터 중대형 전지까지 모두 고성능으로 적용할 수 있고 나아가 친환경 에너지 보급에 기여할 수 있다”며 “휴대폰, 전기차, 신재생에너지와 4차 산업혁명과 관련된 분야까지 적용 가능하다”고 덧붙였다. 가장 크게 전기차 기술의 대외 의존도를 낮출 것으로 기대된다. 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 및 전기차의 상용화가 가능해져 향후 전개될 친환경 자동차 시장에서 경쟁력을 갖춘다. 자동차뿐 아니라 다양한 전동 기구의 ESS(에너지저장시스템)을 대신할 수 있어 부가가치가 높은 상품의 개발도 쉬워진다. 차세대 산업과 같이 성장할 인력을 또, GET-Future(겟 퓨처)사업은 기술 개발과 더불어 전문 인력 양성도 목표로 한다. 사업을 통해 소형 리튬 이차전지부터 중대형 전력 저장 장치 및 전기자동차용 전지 분야까지 고급 인력 확보에 힘쓴다. 신재생에너지에도 응용 가능해 에너지 관련 모든 업체로 인력 배출이 가능하다. ▲연구실 내에서 선양국 교수(에너지공학과)와 함께 연구팀이 포즈를 취하고 있다. 그는 “이번 사업을 통해 차세대 전지 분야 기술 특허와 국제 경쟁력을 갖출뿐더러, 앞으로 발전의 폭이 큰 이차전지 분야에서 전문성을 갖춘 연구 인력을 확보하겠다”고 말하며 “산학연 연계뿐 아니라 국제적 교류를 통해서도 경쟁력을 갖출 것”이라고 덧붙였다. 앞으로 선 교수와 에너지공학과 연구팀의 차세대 전지 기술 연구 사업이 세계를 선도하는 경쟁력을 확보하길 기대한다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr

2017-02 06

[학술][이달의 연구자] 선양국 교수(에너지공학과) (2)

전기자동차 시장은 빠른 속도로 성장하고 있다. 그러나 1회 충전으로 달릴 수 있는 거리가 내연기관 자동차에 비해 짧다는 점은 늘 한계로 지적됐다. 때문에 최근 에너지 공학계의 핵심 과제는 전기자동차 배터리의 용량을 안전하게 높이는 것이었다. 선양국 교수(에너지공학과)가 10년 동안의 연구 끝에 이 문제를 해결할 실마리를 찾았다. 배터리에 사용되는 양극 입자 속 물질 농도를 조절하는 것. 중앙과 표면의 물질 구성이 다른 양극 입자를 사용하면 안정성과 용량이란 두 마리 토끼를 잡을 수 있다. 특히 이번 연구에서 제시한 3세대 양극 소재 Al-FCG61은 3,000 사이클 이상 작동하고도 높은 효율을 유지해 학계와 업계의 주목을 받는다. 양극 입자 속 니켈과 망간 농도 조절, 용량과 안정성 모두 잡다 전기자동차 대부분에 들어가는 배터리는 1회 충전으로 150km 정도를 달릴 수 있다. 내연기관 자동차가 1회 주유로 450km를 달리는 것에 비하면 현저히 짧은 거리다. 전기자동차가 1회 충전으로 350km 이상을 달리게 하려면 배터리 내 양극 소재의 용량을 200mAh/g까지 올려야한다. 양극 소재의 용량을 높이기 위해선 니켈 함량을 늘려야 하는데, 문제는 니켈 함량이 늘어나면 열 때문에 배터리가 폭발할 확률도 높아진단 점이다. 배터리의 안정성과 용량이 반비례 관계라고 말하는 이유다. 선양국 교수는 니켈 함량이 높은 양극 소재의 표면이 전해질과 만나는 과정에서 이런 문제가 발생한다는 것을 알아냈다. 그리고 양극 입자를 구성하는 물질의 농도를 위치에 따라 달리하는 FCG(Full Concentration Gradient) 소재를 고안했다. 즉, 입자의 중앙에서 표면으로 갈수록 니켈 함량은 줄어들고, 안정성을 높이는 망간의 함량이 높아지는 것이다. 선양국 교수는 10년 동안의 연구를 통해 농도 차이가 예전보다 극명하게 높은 양극 소재를 4세대까지 개발해 특허를 받았다. 여기에는 윤종승 교수(신소재공학부)의 도움도 컸다. 윤 교수가 입자 결정 구조를 분석하고, 선 교수가 합성을 맡았다 ▲ 선양국 교수(에너지공학과)가 개발한 3세대 양극 소재 FCG(Full Concentration Gradient)의 모식도. 입자의 중앙에서 표면으로 갈수록 니켈 함량은 줄어들고, 안정성이 높은 망간 함량이 늘어난다. 에너지 효율 높인 Al-FCG61의 발견 선 교수는 이번 연구에서 알루미늄을 추가한 3세대 양극 소재 Al-FCG61을 개발했다. 이 소재를 사용할 경우 배터리 효율은 높이고 수명은 늘릴 수 있다. 실험 결과 방전 심도 100%에서 3,000번 충·방전을 거듭해도 초기 용량의 80%를 유지했다. 방전 심도란 충전에서 방전까지 배터리가 사용하는 용량을 말한다. 방전 심도가 높으면 배터리 수명이 줄어들기 때문에, 일반적으로는 완충 시에도 전체 용량의 60% 정도만 사용하게 만든다. 용량의 100%를 사용할 경우 충·방전을 수백회 거치면 수명이 다하지만, 늘 60% 정도만 사용하면 수명이 수천회로 늘어나는 원리다. 그러나 배터리 용량의 40%가 사용되지 않은 상태로 남는 데다, 배터리를 더 많이 사용해야하므로 비용 부담이 크다는 문제가 있었다. 결국 용량을 100% 사용하면서도 수명이 긴 배터리가 절실했다. 이런 점에서 선 교수가 개발한 Al-FCG61은 학계와 업계가 주목할 만한 성과를 거뒀다. Al-FCG61의 효율이 높은 이유는 다른 양극 소재와 결정 구조가 달라, 충·방전 과정에서 미세구조 내에 쌓이는 충격이 줄었기 때문. 선 교수는 "이번 연구를 통해 전기차 생산 비용이 줄어들면 제조 과정에서 경쟁력을 가질 수 있을 것"이라고 했다. ▲ 선양국 교수가 4세대 양극 소재인 TSFCG(Two Slope Full Concentration Gradient) 구조에 대해 설명 중이다. TSFCG는 니켈의 함량이 3세대에 비해 더 높다. 4차 산업혁명 대비할 차세대 성장 동력 필요해 선양국 교수는 4세대 양극 소재를 개발한 것으로 이번 연구를 마무리하고, 다른 구조를 지닌 새로운 재료 개발에 힘쓸 계획이라고 밝혔다. 2000년 우리대학에 부임한 이래, 지금까지 에너지 밀도가 높은 재료 연구에 몰두했다. 연구를 막 시작했을 무렵에는 이 분야에 관심을 갖는 연구자가 드물었으나, 선 교수는 고효율 에너지의 필요성을 예측하고 일찍부터 연구에 임했다. 선 교수는 "새로운 재료를 개발하려면 세계 최고의 성과를 거두겠다는 열정과 노력, 창의성이 필요하다"며 "한국은 4차 산업혁명을 대비해 차세대 성장 동력을 만들기 위해 힘써야 한다"고 전했다. ▲선양국 교수는 "새로운 소재 개발에 끈기를 갖고 도전하는 후배 연구자가 많이 생기길 바란다"고 했다. 글/ 신혜빈 기자 shb2033@hanyang.ac.kr 사진/ 김윤수 기자 rladbstn625@hanyang.ac.kr

2016-11 02

[학술][이달의 연구자] 백운규 교수(에너지공학과) (1)

백운규 교수(에너지공학과) 연구팀이 최근 '소듐이온배터리'의 효율 개선에 대한 연구를 세간에 알렸다. 소듐이온배터리는 현재 널리 사용 중인 리튬이온배터리를 대체할 수단으로 꼽히지만, 여러 한계로 인해 상용화되지 못하는 상황이다. 백 교수는 소듐이온배터리의 부피 팽창을 막고, 저장 용량을 늘릴 수 있는 실마리를 제시했다. 속이 빈 튜브 형태의 나노 막대에 탄소층을 입힌 'Sb@C 동축나노튜브'를 전극으로 사용하는 것. 백 교수를 만나 이번 연구 결과에 관해 들었다. 소듐이온배터리의 필요성과 연구 과제는 스마트폰을 포함해 많은 전자기기에는 리튬이온배터리가 사용되고 있다. 그러나 원자재인 리튬의 가격이 비싼 데다, 수입에만 의존해야 한다는 문제가 있다. 한국처럼 원자재 생산이 어려운 나라에서는 대체 자원의 필요성이 절실한 실정. "리튬의 주 생산지인 불가리아 광산을 확보하더라도, 가격 조정에 한계가 있어요. 리튬 대신 소듐을 사용하면 가격 부담을 줄일 수 있습니다." 이런 장점에도 불구하고 소듐이온배터리가 상용화되지 못한 데는 여러가지 이유가 있었다. 가장 먼저, 리튬이온배터리처럼 소듐이온배터리더 반응 중에 부피가 팽창하고 용량이 감소한다. "따라서 이번 연구의 목적은 소듐이온배터리의 한계를 극복하고, 효율성을 높이는 방안을 찾는 것이었습니다." 백 교수는 이를 위해 속이 빈 튜브 형태의 섬유질을 개발했다. "부피 팽창을 줄이기 위해서 탄소층을 완충재로 사용한 나노 크기의 새 구조를 만들었죠." 배터리의 부피가 늘어나도 튜브 속의 빈 공간이 이것을 감당할 수 있게 된다는 설명이다. 또 배터리의 효율성을 높일 수 있다는 장점도 있다. 배터리의 효율성은 충전과 방전 속도에 달려 있고, 이 속도는 전자가 얼마나 빠르게 움직일 수 있느냐에 따라 달라진다. 탄소층이 코팅된 나노 튜브는 전자가 양방향으로 빠르게 퍼질 수 있게 만든다. 백 교수는 이렇게 개발한 나노 튜브를 'Sb@C 동축나노튜브'라 이름 붙였다. 실험 결과 Sb@C 동축나노튜브는 배터리 용량과 사이클링 수명을 높이는 것으로 나타났다. 즉, 이번 연구는 부피 팽창으로 인해 발생하는 문제점을 줄이고 충전-방전 반응을 개선해 소듐이온배터리가 리튬이온배터리를 대체할 수 있는 실마리를 제공한 셈이다. ▲ 백운규 교수(에너지공학과)가 개발한 Sb@C 동축나노튜브는 소듐이온배터리의 효율성을 높일 수 있다. 학생들과 함께 진로 고민하는 교육자 될 것 백운규 교수는 반도체 분야에서 사용되는 나노 입자에 관한 실용적 연구를 다수 진행했다. 백 교수가 진행한 연구의 대부분은 실제 산업에서 필요한 기술을 개발하는 데 초점을 맞추고 있다. "저는 사회에 기여할 수 있는 실용적인 연구를 하는 것이 제 의무라고 생각합니다. 근본적인 연구도 물론 중요하겠지만, 연구 결과를 실제 사회에 적용할 수 있어야 한다는 원칙을 더 선호하는 편입니다." 그는 학생들에게도 공부에 대한 열정을 주문했다. "오늘날 우리 사회는 한 분야에서 전문 지식을 갖추는 것을 중요하게 생각합니다. 학생들도 공부에 열정을 가졌으면 좋겠어요." 백 교수는 “빠르게 변화하고 있는 사회라지만, 학생들은 원대한 꿈을 갖고 우보의 걸음으로 나아가기를 바란다”고 했다. 24년 간 강단에서 학생들을 만난 백 교수는 마지막으로 “학생들과 진로에 대해 함께 고민하며 도움을 주는 교육자가 되고 싶다”고 전했다. ▲ 백운규 교수는 "훌륭한 교수진이 많은데 이달의 연구자로 선정돼 기쁘다"고 소감을 전했다. 글/ 추화정기자 lily1702@hanyang.ac.kr

2015-10 07

[학술][이달의 연구자] 코어쉘 구조, 더 강력한 리튬이온 배터리를 만들다

보다 실용적인 전지 발전을 위해 스티브 잡스가 만든 스마트폰이 예쁜 건 사실이지만, 사서 쓰고 싶지는 않다는 A양. 일체형 배터리가 불편하기 때문이라고 한다. 배터리는 쓰면 쓸 수록 성능이 떨어지기 때문에, 충전기나 무거운 보조 배터리를 들고 다녀야 하는 단점이 있다. 하지만 이러한 단점은 이제 사라질지도 모른다. 김한수 교수(공대 에너지)는 스마트폰 속 리튬이온 배터리의 단점을 해결하는 새로운 방법을 연구했다. 리튬이온 배터리 속 실리콘의 문제 스마트폰, 전기 자동차, ESS(Energy Storage System, 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치) 등 현대 사회에서 이용되는 새로운 발명품들은 리튬이온 배터리를 이용한다. 리튬이온 배터리는 가역 능력, 높은 출력비율 덕에 많은 제품들에서 사용되고 있지만 여전히 몇 가지 문제를 안고 있다. 저장 용량이 작은 데다 용량이 커질수록 가격이 비싸지고, 오랜 기간 사용한 후에는 성능이 떨어진다. 내장형 배터리를 이용하는 스마트폰의 사용기간이 길어질 수록 한 번의 충전으로 하루를 버티기 힘들어지는 것이 이런 문제 때문이다. ▲ 리튬이온 배터리의 성능을 개선하기 위해 김한수 교수(공과대학 에너지공학과)의 연구팀은 실리콘에 나노 결정을 코팅하는 '코어쉘'(Core-Shell) 구조를 도입했다. 리튬이온 배터리를 오랜 기간 사용할 수 없는 이유는 전지 내부 실리콘의 팽창 탓이다. 실리콘은 전자가 방출되는 음극의 소재로 이용된다. 실리콘은 기존에 사용된 흑연에 비해 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있지만, 충전과 방전의 과정을 거칠 때마다 부피가 4배까지 늘어나며 빠르게 닳는 단점이 있다. 김한수 교수(공대 에너지)는 이러한 문제점을 빵에 비유해 설명했다. "빵을 구울 때를 생각하면 쉽습니다. 오븐에 들어간 빵이 처음에 크게 부풀었다 나중에 수축하죠. 그리고 그 과정에서 균열이 생깁니다. 단순히 부풀었다가 본래 상태로 돌아가는 게 아니에요. 균열은 재료에 손상을 입힙니다." 나노 결정을 이용한 팽창 방지 이런 문제를 해결하기 위해 김 교수의 연구팀은 실리콘에 '코어쉘'(Core-Shell) 구조를 도입했다. 노른자를 감싸고 있는 흰자처럼, 실리콘이라는 노른자에 나노 결정이라는 흰자를 코팅하는 방법이다. "리튬이온 배터리 개발에서 실리콘은 장래가 유망한 재료입니다. 코어쉘 구조는 부피 팽창을 억제할 수 있는 산화막, 규소를 통해, 주재료인 실리콘을 보호하는 방법이에요." 김 교수는 새로운 구조 도입 결과, 기존 재료보다 용량이 70% 이상 향상 됐고, 100번 이상의 충전에도 처음과 같은 성능을 낼 수 있음을 밝혀냈다. 아이디어는 있었지만 실제로 생각을 실현시키는 일은 쉽지 않았다. 김 교수 연구팀은 실리콘에 입힐 적절한 재료를 찾기 위해 주요 변수를 따져 실험을 했다. "재료들 간의 조성비, 반응이 일어나는 온도, 재료를 투입하는 시기와 양 등, 변수가 많았어요. 변수에 조금만 변화가 생겨도 실리콘을 감싸야 할 재료들이 실리콘을 감싸지 않고 서로 반응을 하기도 하고, 아예 결합하지 않기도 했습니다. 원하는 실리콘만을 감싸게 만들도록 하는 점이 어려웠습니다. 무엇이 제일 중요한지는 한참 후에야 알았죠." 대용량의 배터리는 특히 차세대 이동 수단으로 불리는 전기 자동차 분야에서 활용될 가능성이 크다. 김 교수는 "전기 자동차가 사람들에게 많은 관심을 받고 있지만 충전 용량의 문제가 남아있다"고 말했다. "전기 자동차의 문제 중 하나는 한 번 충전해서 갈 수 있는 거리에 제한이 있다는 점이에요. 석유 연료를 이용하는 자동차는 연료 탱크를 키워서 저장할 수 있는 연료량을 늘일 수 있습니다. 전기 배터리도 할당된 부피와 무게 안에서 저장할 수 있는 전기의 양을 늘려야 해요. 지금은 전기 자동차가 1회 충전으로 이동할 수 있는 거리가 많지 않지만, 새로운 배터리로 이동 거리가 늘어나면 대중화에 도움이 될 것입니다." 창의력? 꾸준한 고민의 산물 석사와 박사 과정에서 모두 배터리를 연구한 김 교수는 "석사 과정 당시에는 한 번 충전해서 들고 다니기도 힘든 노트북을 썼는데, 미래에는 기능이 많고 가벼운 장비들이 더 강한 전지를 필요로 할 것이라고 생각했다"고 당시의 전망에 대해 얘기했다. 그는 "만들어낸 전지를 상용화하기 위해 에너지 밀도를 더 높이고, 가격을 더 낮추고 싶다"는 미래의 바람을 밝혔다. 대학시절부터 십 년이 넘게 연구를 이어온 김 교수는 "더 나은 연구자가 되기 위해 필요한 것은 창의력"이라고 말했다. "연구 논문 한 편을 쓴다고 연구자로서의 삶이 획기적으로 더 나아지는 일은 이제 없어요. 끊임없이 노력을 해야 독립적인 연구자로 남을 수 있습니다. 그렇게 하기 위해 연구자에게 가장 중요한 것은 창의력입니다." 그렇다면 창의력은 어디서 나오는 걸까. 김 교수는 "꾸준한 고민"이라는 의견과 함께 창의력을 키우기 위한 노력의 팁을 남겼다. "창의력이 꼭 공부를 잘 한다거나, 괴팍하고 독특한 사람에게 많은 것은 아닙니다. 그저 꾸준히 고민을 하면 돼요. 여러분도 가끔 사소한 행동을 할 때 좋은 아이디어가 떠오를 때가 있었을 겁니다. 그건 우연이 아니라 계속된 몰입의 결과라고 생각해요. 샤워할 때도, 담배 한 모금 피러 나갈 때에도, 세수하거나 화장을 지울 때에도 고민을 하면 좋은 결과가 있을 거에요." ▲ 김한수 교수는 "연구자에게 필요한 것은 창의력"이라는 생각을 밝히며, "창의력은 꾸준한 고민에서 탄생한다"고 말했다. 최정아 기자 shaoran007@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/조유미 기자 lovelym2@hanyang.ac.kr

2015-09 09

[학술][이달의 연구자] 차세대 배터리의 가능성을 발견하다

소듐이온 배터리의 전기전도율 향상법을 찾아서 스마트폰의 배터리가 줄어들수록, 우리는 점점 불안해진다. 가득 충전해도 금세 방전되는 배터리 탓에 많은 사람들이 충전기나 보조배터리를 항상 들고 다닌다. 스마트폰뿐만 아니라 노트북, 카메라, 자동차에 이르기까지 수많은 기기들이 배터리 없이는 작동하지 않는다. 배터리는 우리 생활에서 없어서는 안 될 필수품. 앞으로의 배터리는 어떻게 발전할까. 배터리 전문가인 선양국 교수(공과대 에너지)가 차세대 배터리의 새로운 가능성을 발견했다. 선 교수는 소듐이온 배터리의 성능을 크게 향상시킨 연구의 성과를 인정받아 9월 이달의 연구자에 선정됐다. 리튬이온 배터리의 대안을 찾아서 우리가 사용하는 스마트폰이나 노트북과 같은 전자장비에는 대부분 리튬이온 배터리가 사용된다. 리튬은 현존하는 금속 중에서 가장 가볍고 전기 에너지를 많이 저장하는 특성이 있어 배터리의 재료로 폭넓게 사용돼왔다. 하지만 리튬은 매장량이 희소해 가격이 비싸고, 채굴과 배터리 제작 과정에서 환경 오염을 유발한다. 또, 전기자동차에 필요한 대용량 배터리처럼 앞으로 증가하는 배터리 수요를 리튬이온 배터리만으로 대응하기에는 한계가 있다. 이러한 이유에서 리튬 대신 다른 물질로 배터리를 만들려는 시도가 이전부터 계속돼왔다. 그 중 하나가 소듐이온 배터리이다. 우리가 흔히 나트륨이라고 부르는 소듐(나트륨은 독일어식 표현으로, 학계에서는 소듐이라는 표현을 주로 사용한다)은 우리 주변에서 쉽게 얻을 수 있고 그 부존량도 무한하다. 때문에 리튬에 비해서 낮은 비용으로 배터리를 생산하는 것이 가능하다. 또한 소듐이온 배터리는 배터리 생산과정에서 환경 오염을 적게 유발해 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다. 소듐이온 배터리에 대한 연구는 최근 15년 동안 꾸준히 진행돼왔지만, 아직 리튬이온 배터리와 동등한 성능을 내는 데에는 이르지 못하고 있었다. 선 교수는 이번 연구를 통해 소듐이온 배터리의 에너지효율을 크게 향상시켜 학계와 업계의 주목받고 있다. 작은 개선이 만드는 배터리의 큰 변화 배터리는 크게 양극(+극)과 음극(-극), 그리고 전기를 저장하는 공간인 전해질, 이렇게 세 가지 요소로 구성된다. 전해질에 저장된 전기는 양극에서 나와 전선을 타고 전기가 필요한 곳으로 흐른다. 따라서 전류가 잘 흐르기 위해서는 전류가 흐르는 첫 번째 관문인 양극의 전기전도율이 높아야한다. 그 동안 소듐이온 배터리는 소듐크롬옥사이드(NaCrO3)라는 화합물을 이용하여 만들어졌다. 옥사이드는 우리가 사용하는 그릇과 같은 세라믹 물질이여서 전기전도율을 높이기가 쉽지 않았다. 이러한 이유로 학계에서는 소듐이온 배터리가 상용화되기 쉽지 않다는 인식이 지배적이었다. 하지만 선 교수는 소듐크롬옥사이드에 전도율이 높은 원소인 탄소를 코팅하고, 이 입자를 나노미터 수준의 크기로 줄여서 양극의 전기전도율을 향상시키는데 성공했다. 소듐크롬옥사이드는 이름에서 알 수 있듯 소듐과 크롬, 그리고 옥사이드(산화물)의 화합물이다. 입자를 작게 만들기 위해서는 이 세가지 물질이 잘 섞여서 균일한 화합물이 돼야 한다. 하지만 소듐과 크롬은 물과 기름처럼 잘 혼합되지 않는 물질이다. 선 교수는 이러한 한계를 극복하기 위해 스펙턴트라는 특수한 용매를 사용해서 소듐과 크롬의 균일한 혼합을 가능하게 했다. 한 걸음 더 나아가 선 교수는 균일하게 혼합된 소듐크롬옥사이드 입자에 피치라는 물질을 이용해서 탄소를 코팅하고 열처리하여 입자의 크기를 줄였다. 이를 통해 탄소코팅이 되지 않은 기존의 소듐이온 배터리에 비해서 전기전도율을 획기적으로 높일 수 있었다. 지속적으로 성장해 나갈 배터리 산업 선 교수는 “앞으로 배터리 산업이 우리나라의 주력 산업으로 성장할 것”이라고 말했다. “스마트폰 시장은 이제 성숙기에 이르렀지만, 드론이나 전기자동차와 같이 배터리가 사용되는 다른 산업은 아직도 성장 가능성이 무궁무진합니다. 그에 따라서 배터리 산업도 함께 성장할 거예요. 예전에는 일본 기업이 이 분야를 선도했지만 이제는 우리나라의 기술이 일본 기업을 크게 앞질렀어요. 최근 중국 기업들이 빠르게 성장하고 있다는 점은 큰 위협입니다. 이제는 창의적인 공학도들이 배터리 연구에 정진해서 고유한 기술을 많이 개발해나갔으면 합니다.” 오랜 시간동안 연구를 계속해온 선 교수에게 공학도의 자질이란 무엇인지 물어보았다. 선 교수는 ‘창의력’을 가장 중요한 자질로 꼽았다. “다른 사람의 것을 모방하는 연구로는 결코 성공할 수 없습니다. 새로운 기술을 개발하기 위해서는 끊임없이 ‘왜?’라는 문제의식을 가져야 해요. 설령 다른 사람이 해결하지 못한 문제라고 하더라도, 그 이유에 대해서 스스로 질문을 던지고 자신만의 방식으로 이해할 수 있어야 합니다.” 정진훈 기자 cici0961@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/박설비 기자 sbi444@hanyang.ac.kr