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2019-06 04

[교수][이달의 연구자] 송태섭 교수, 새로운 금속-준금속 촉매 소재를 개발하다

수소는 미래 산업으로 주목받는 무공해 에너지원이다. 정부가 지난 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하면서 수소경제에 대한 관심이 높아지고 있다. 수소경제를 활성화하기 위해선 수소의 생산 단가를 낮추는 기술이 필요하다. 송태섭 에너지공학과 교수는 높은 효율, 낮은 비용과 강한 내구성을 띤 촉매 소재를 개발했다. 수전해 기술은 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 기술로 ‘촉매’가 필요하다. 촉매 소재는 전이 금속을 기반으로 한 금속-준금속(Metal-Metalloid) 소재로 이에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 그중 삼중, 사중의 원소를 포함하는 금속-준금속 소재의 개발은 전이 금속의 다양한 전자 준위를 이용하기 위해 계속 시도되고 있다. 기존 기술로 안정적인 화합물을 형성하는 데 한계가 있었다. 전이 금속 기반의 금속-준금속소재 단독으로는 메탈 원소의 용해 현상 등으로 인해 전해액 내에서 안정적이지 않기 때문이다. 송태섭 에너지공학과 교수는 원자층 증착(ALD, Atomic layer deposition) 기술을 이용해 문제를 해결했다. “삼중 원소를 포함하는 빈 구조의 금속-준금속 소재에 화학적으로 안정적인 사중 원소를 포함하는 바나듐이 도핑된 코발트 니켈 붕화물(VCNB, Vanadium-doped cobalt nickel boride)를 합성하는 데 성공했습니다.” ▲원자층 증착 공법을 통해 만든 바나듐이 도핑된 코발트 니켈 붕화물(VCNB, Vanadium-doped cobalt nickel boride)의 모습이다. (송태섭 교수 제공) 이번 연구는 국내 및 해외 우수 연구진이 함께 진행했다. 송태섭 교수는 “한양대학교, 한국생산기술연구원, 서울여자대학교에서 촉매 소재 합성과 정밀한 전기화학 특성 분석 등을 진행했고 한국과학기술연구원(KIST)과 독일 쾰른대학은 시뮬레이션 실험 등을 담당했다”고 말했다. ▲송 교수의 논문 'Electronically Double-Layered Metal Boride Hollow Nanoprism as an Excellent and Robust Water Oxidation Electrocatalysts'은 이론으로 시작해 1년 6개월 동안 분석 및 증명을 마쳤다. 이 연구는 에너지 분야의 세계적인 저명 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다. 송태섭 교수가 개발한 촉매 기술은 전해액 내에서 안정적일 뿐 아니라 효율이 높고, 단가가 저렴해 수소 에너지 산업의 생태계 구축 및 활성화에 기여할 수 있다. 송 교수는 “지속 가능한 청정에너지가 확대될 수 있도록 기술적 연구를 심도 있게 진행하겠다”며 “차세대 에너지인 수소 생산과 관련된 촉매 기술이 앞으로 미래 에너지 산업을 선도할 핵심 기술인 만큼 세계 최고 수준에 도달할 수 있도록 심혈을 기울이겠다”고 말했다. 글/ 정민주 기자 audentia1003@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

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

2018-12 10

[학술][이달의 연구자] 선양국 교수(에너지공학과)

심각한 환경문제로 인해 에너지 저장 장치(전지) 개발은 전세계적인 화두다. ‘리튬 이온 전지’는 휴대용 전자기기 및 전기 자동차의 주된 에너지 저장원으로 사용된다. 그러나 리튬 사용량 증가로 인해 향후 리튬의 제한된 보급률 및 급격한 가격 상승이 예상돼 리튬을 대체할 수 있는 신규 에너지 저장 장치 개발이 시급한 실정이다. 현재 선양국 교수(에너지공학과) 연구팀은 ‘소듐’에 이어 ‘포타슘 이온 전지’ 소재를 활용한 새로운 에너지 저장 장치 합성 방법을 실험 중에 있다. 신 에너지 저장 장치 ‘포타슘 이온 전지’ 선양국 교수(에너지공학과)와 황장연 박사(에너지공학과)가 연구 중인 ‘포타슘 이온 전지’는 포타슘 이온을 포함하는 고전위 산화물 기반 양극, 포타슘 이온을 저장하는 저전위 탄소 기반 음극, 그리고 포타슘 이온을 전달하는 비수용액계 전해질과 분리막으로 구성돼 있다. 포타슘은 풍부한 매장량과 낮은 환원 전위 특성을 가진다. 리튬을 사용할 때와 충∙방전 매커니즘이 비슷해 현재 보편적으로 사용하는 리튬 이온 전지보다 더 나은 성능을 가진 대체물로서 가장 유망한 후보로 각광받고 있다. ▲ 선양국 교수 연구팀이 개발한 양극 소재인 'K0.69CrO2' 와 기존 문헌에 보고된 포타슘 이온전지 양극 소재들 간의 충/방전 특성 비교. 개발된 소재는 기존 소재들 대비 월등한 충∙방전 횟수를 나타낸다. 하지만 리튬 대비 상대적으로 큰 포타슘 이온의 크기(Li : 0.76 Å vs K : 1.38 Å)는 양극 소재의 합성을 어렵게 해 전기화학반응을 일으키기 쉽지 않다. 원소 주기율표 상으로 볼 때 리튬, 소듐, 포타슘 순으로 알칼리가 내려가면서 이온의 크기가 커진다. 부피와 무게가 커짐에 따라 전지 안으로 이온 저장이 힘들어 발현하는 에너지의 양도 적어진다. 또한 포타슘이 공기 중에서 물이나 산소에 반응성이 높기 때문에 더욱 합성이 어렵다. 이 특성은 충전과 방전이 계속되면서 소재에 손상마저 입힌다. 이러한 이유로 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발이 제한돼 왔다. 그러나 선 교수는 이러한 한계점들을 극복하면 전지의 에너지 양을 대폭 향상할 수 있을 것이라고 생각했다. ▲ 선양국 교수(에너지공학과)의 연구 분야는 소듐 이온 전지와 포타슘 이온 전지다. 자원량이 한정적인 리튬으로 만든 이온 전지와 달리 소듐과 포타슘은 매장량이 풍부해 리튬의 대체제로 사용될 가능성이 높다. (사진 선양국 교수 제공) 결합을 통한 탁월한 소재(K0.69CrO2) 개발 “포타슘만으로 이뤄진 전지는 성능이 그다지 좋지 않다”며 "실제 사용할 수 있는 좋은 성능의 전지는 소듐과 포타슘의 결합으로 만들어진다"고 말했다. 결합에 대한 다양한 접근이 이루어져 왔으나 하지만 여전히 이론에 의존도가 높고, 실험적으로 소재를 합성하더라도 그에 따르는 어려움이 적지 않다. 따라서 선 교수 연구팀은 포타슘보다 상대적으로 반응성이 적은 소듐으로 만든 기존 양극 소재들을 이용하기로 했다. 이 합성법에는 전기화학 이온 교환 전지가 사용되는데 양극에 소듐이온전지용 양극을, 음극에 포타슘 메탈을 사용하여 전기화학적으로 양극 소재내에서 소듐 이온을 모두 제거하고 대신 포타슘 이온을 삽입한다. 실제로 이러한 방법을 통해 합성된 포타슘 기반의 양극 소재(K0.69CrO2)는 구조적으로 매우 안정돼 실제 1000회까지 사용이 가능했다. 이 양극 소재는 초기에 발현한 용량의 65%에 달하는 우수한 수명 유지율과 12분 내 고속 충∙방전이 가능하다는 이점도 있다.선 교수는 “양극 소재를 개발하는 관점에서 포타슘 이온을 더 효과적으로 저장하고 충∙방전 시 구조가 손상되지 않는 것이 연구의 목표”라고 말했다. ▲ 선양국 교수는 현재 연구진과 함께 계속해서 포타슘 이온 전지를 연구 중이다. (사진 선양국 교수 제공) 에너지 공학과 연구팀은 향후 포타슘 양극 소재 개발 연구의 새로운 발판을 마련했다. 선 교수는 이론적으로만 연구했던 분야를 실험적으로 가능함을 보였다. 포타슘 이온 전지가 갖는 소재로 다양한 부재를 해결할 새롭고 쉬운 소재 합성법을 제시한 것이다. 선 교수는 “현재는 크롬(Chromium)을 전이금속으로 한 소재를 사용했지만 해당 합성법은 크롬이 아닌 어떠한 전이금속으로도 결합해 사용이 가능하도록 개발했다”며 “검증된 합성법으로 향후 포타슘 이온 전지용 양극 소재 개발에 대한 더 많은 가능성과 정보를 줄 수 있는 연구”라고 덧붙였다. 글/ 김민지 기자 melon852@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

2016-03 09

[학술][이달의 연구자] 꿈의 배터리, 리튬 에어 배터리 상용화의 초석을 다지다

우리 주변에는 수많은 첨단 제품들이 자리 잡고 있다. 사람이 움직이기 위해 음식이 필요한 것처럼, 첨단 제품이 움직이기 위해서도 ‘에너지’가 필요하다. 이 에너지 역할을 하는 것이 배터리다. 현재 상용화된 배터리 형태는 리튬 이온 배터리. 리튬 이온 배터리 보다 높은 성능을 자랑하는 리튬 에어 배터리가 있으나, 효율성이 떨어져 상용화되지 못했다. ‘차세대 배터리’ 혹은 ‘꿈의 배터리’라 불리는 리튬 에어 배터리. 선양국 교수와 이윤정 교수(이상 공과대 에너지공학)의 공동연구로 효율성 문제를 해결할 실마리를 찾았다. 경제성과 성능 두 마리 토끼를 잡다. ▲ 리튬 에어 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리와는 달리 양 극의 재료로 산소를 사용한다. 기본적으로 배터리는 양극과 음극, 전해질(물 등의 용매에 녹아 이온으로 나눠져 전류를 흐르게 하는 물질)의 세 부분으로 구성된다. 세 부분을 구성하는 물질에 따라 이름이 달라진다. ‘니켈 카드뮴 배터리’, ‘리튬 폴리머 배터리’, ‘리튬 이온 배터리’ 등이다. 리튬 이온 배터리는 음극 재료로 탄소 물질인 그라파이트가, 양극 재료로 리튬 금속 산화물인 미켈, 코발트, 망간 등이 쓰인다. 전해질로는 비수계 전해액(물 분자가 포함되지 않은 전해액)이 쓰인다. 충전 상태에서는 음극의 리튬 이온이 전해질을 통해 양극으로 이동하며 에너지를 발생시킨다. 양극으로 이동한 리튬 이온을 음극으로 돌려보내면 방전된 배터리가 충전된다. 리튬 이온 배터리는 지난 1991년 상용화됐고, 이후 연구와 발전을 거듭해 현재 가장 많이 사용되는 배터리가 됐다. 다만, 리튬 이온 배터리는 대형화가 어렵다는 문제가 있다. “기본적으로 리튬 이온 배터리의 양극 물질로 쓰이는 미켈, 코발트, 망간 등이 굉장히 비쌉니다. 노트북이나 스마트폰 등에 쓰이는 소형 배터리는 문제 되지 않겠지만, 전기자동차에 이 배터리를 사용한다면 가격이 문제가 되겠죠. 스마트폰 배터리의 6,800배~7,000배 크기의 배터리를 사용하게 되니까요.” 선양국 교수의 설명이다. 그 대안으로 등장한 것이 리튬 에어 배터리다. 리튬 에어 배터리는 음극 재료로 리튬 메탈을 사용하고, 양극 재료로 탄소 지지체 안의 산소를 사용한다. 전해질은 비수계 전해액이 사용된다. 리튬 이온 배터리가 양극 재료로 미켈 등 비싼 금속 산화물을 사용하는 것과 달리, 리튬 에어 배터리는 공기 중에 널리 퍼져있는 산소를 사용하는 것이 가장 큰 차이다. 경제성 면에서 우월할 수밖에 없다. 에너지 밀도 면에서도 차이가 난다. 리튬 에어 배터리는 리튬 이온 배터리보다 3-5배에 달하는 에너지 밀도를 자랑해 성능이 더 높다. 에너지 효율의 문제를 해결하다 리튬 에어 배터리는 이런 장점 덕에 ‘꿈의 배터리’라고 불린다. 그러나 대표적인 문제점으로 꼽혀온 것이 ‘효율성’이다. 이 교수는 말한다. “리튬 이온 배터리는 100을 충전하면 99.99를 쓸 수 있을 만큼 높은 효율성을 보입니다. 그러나 리튬 에어 배터리는 100을 충전하면 60 정도만 사용할 수 있어요. 이 점이 상용화에 큰 걸림돌이 되었죠.” 리튬 에어 배터리의 효율성이 낮은 이유는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동할 때, 양극의 산소와 반응하며 과산화리튬(Li2O2) 산화물을 생성하기 때문이다. 과산화리튬은 전기가 통하지 않는 비도체 물질이라 에너지 이동을 방해한다. 이런 이유로 과산화리튬을 어떻게 처리하느냐가 배터리 효율성을 높이기 위한 연구 목표가 됐다. ▲ 이리듐 나노 촉매는 리튬 이온과 산소와의 반응에서 과산화 리튬(Li2O2) 대신 초산화 리튬(LiO2)이 생성되도록 한다. 선 교수 와 이 교수는 양극의 산소 지지체에 새로운 소재를 도입했다. 탄소물질인 그래핀에 이리듐 나노 촉매를 혼합한 것. 탄소 물질인 그래핀은 넓은 표면적으로 리튬 에어 배터리의 용량을 극대화할 수 있으며, 뛰어난 전도성으로 저항을 최소화해 에너지 효율을 증대시킨다. 또, 이리듐 나노 촉매는 리튬 이온과 산소 반응에서 특별한 역할을 해낸다. 이윤정 교수는 이리듐 나노 촉매의 역할에 대해 다음과 같이 설명했다. “기존의 반응에서 과산화리튬이 발생하는 것과 달리, 이리듐 나노 촉매는 초산화 리튬(LiO2)이 생성되게 합니다. 초산화 리튬은 전도도가 높을뿐더러 리튬과 산소로 분해되기 쉬워요. 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있죠.” 물론, 에너지 효율을 향상시켰다고 리튬 에어 배터리의 상용화가 즉시 가능한 것은 아니다. 아직까지 해결해야 할 산은 많다. 그러나 선 교수는 “이번 연구는 기존의 리튬 에어 배터리 패러다임을 바꾸고, 앞으로 리튬 에어 배터리 개발 연구에 지대한 영향을 끼칠 것”이라고 말했다. “이번 연구는 리튬 에어 배터리 상용화의 첫걸음이라고 볼 수 있습니다. 앞으로 더욱 깊이 연구해 리튬 에어 전지의 상용화에 힘쓰고 싶습니다.” 무엇이든 꾸준히 하는 노력이 필요 이 교수는 현재 리튬 에어 배터리가 들어간 전기자동차의 시운전을 위해 연구를 계속하고 있다. 사람들의 삶을 바꿀 수 있는 연구가 목표라고 한다. “예전에 외국에서 공부를 할 때 한 교수님이 ‘논문을 잘 쓸 생각을 하지 말고 세상을 바꿀 수 있는 아이디어를 생각하라’고 얘기해주신 적이 있어요. 저도 그분 말씀처럼 세상을 바꿀 수 있는 연구를 하고 싶습니다. 전기자동차의 배터리 연구도 그 중 하나가 될 수 있겠죠” 물론 이러한 연구가 한 번의 노력, 한 번의 시도로 완성되는 것은 아니다. 1980~90년대 한국에서 배터리 산업은 중소기업의 전유물이었다. 그러나 외국에서는 파나소닉 등의 대기업에서 배터리를 연구하고 개발하는 중이었다. 선 교수는 1991년 소니의 리튬 이온 배터리 상용화 발표를 보고, 한국에서도 배터리 개발에 착수해야 한다는 생각을 갖게 됐다고. “제가 연구를 시작할 무렵 우리나라에서 배터리 연구를 하는 사람은 거의 없었어요. 당시 다른 사람의 말에 좌지우지됐으면 지금의 연구 결과는 없었을 거예요.” 선 교수는 남들과는 다른 ‘창의성’이 인생의 큰 동력이라고 조언했다. “인생도 이와 비슷하다고 생각해요. 열정과 노력, 그리고 남들과는 다른 창의성을 가지고 살아가다 보면 언젠가는 자신만의 고유한 결과물이 생길 거라고 생각합니다. 우리 학생들도 이러한 마음가짐으로 열심히 노력했으면 좋겠어요.” ▲ 배터리 연구에 매진하고 있는 선양국 교수(공과대 에너지공학)와 이윤정 교수(공과대 에너지공학)를 지난 26일과 이번 달 1일 본인의 연구실에서 만날 수 있었다. 두 교수 모두 단기적인 시각보다 미래를 보면서 꾸준히 정진하는 노력의 필요성을 얘기했다. 글/ 이종명 기자 tmjo2000@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/ 김윤수 기자 rladbstn625@hanyang.ac.kr 최민주 기자 lovelymin12@hanyang.ac.kr 디자인/ 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