핸드폰·노트북·무선이어폰·자동차 등 우리가 일상생활에서 사용하는 전자기기들은 대부분 전기 동력원이 필요하고, 이차전지가 이 부분을 담당하고 있다.

업계에 따르면 현재 상용화된 이차전지 중에서는 리튬이온전지가 가장 우수한 것으로 평가 받는다. 그러나 배터리의 수명이나 안전성 등에 대한 소비자의 기대수준이 높아지고, 응용처 또한 소형 중심에서 중대형으로 다변화하면서 이마저도 한계에 도달하는 상황이다. 응용처에 따라서 더욱 중요하게 평가받는 요소들이 달라지는 까닭에서다.

지난 3월 26일 정경윤 한국과학기술연구원(KIST) 청정신기술연구소 에너지저장연구단장은 서면 인터뷰에서 “최근 업계에서는 리튬이온이차전지를 개선하려는 노력을 많이 하고 있으나 새로운 전지 시스템에 대한 요구도 많이 늘어나고 있다”며 “차세대 전지용 소재를 잘 개발해 다양한 응용처에 맞는 맞춤형 이차전지를 개발하는 것이 중요하다”고 강조했다.

정 단장은 미래 100대 기술에 선정된 ‘포스트 리튬이온 전지 소재’ 기술의 연장선에서 지난 3월 연어의 DNA를 활용해 리튬이온이차전지에 적용할 수 있는 고성능 양극 소재를 개발하는 성과를 거두기도 했다. 그는 “각각의 응용처에서 요구하는 조건을 만족하는 다양한 이차전지 시스템을 만들어 우리의 삶이 더 좋아지는 것을 보고 싶다”며 신규 소재 개발 연구에 더욱 힘쓸 것이라고 밝혔다.

-그간 리튬이온전지는 주로 어디에 쓰였나요?

“리튬이온전지는 현재까지는 주로 소형 전자기기에 많이 쓰였습니다. 핸드폰, 노트북 등 우리가 일상생활에서 들고 다니면서 많이 쓰고 있는 전자기기들을 생각하면 됩니다. 최근 들어서는 리튬이온전지의 응용처가 다변화 되는 양상을 보이고 있으며, 특히 많은 사람들이 관심을 가지는 분야는 전기자동차입니다. 전기자동차도 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 순수전기차 등으로 나뉘기는 합니다만 궁극적으로는 순수전기차, 혹은 EV에 사용이 됩니다. 또 PM(personal mobility) 분야로서 전동킥보드, 전기자전거, 전동휠 등에도 사용이 되고 있습니다. 이외에 아주 대형으로는 전력저장장치(ESS·Energy Storage System) 등에 쓰이기도 합니다.”

-기존 리튬이온전지의 한계는 무엇인가요?

“리튬이온전지는 현재 상용화된 이차전지 중에서는 가장 우수한 것으로 평가받고 있습니다. 그러나 이러한 리튬이온전지도 현재 소비자들의 요구를 모두 만족하지는 못합니다. 어떤 면에서는 소비자들이 요구하는 바가 더욱 많아지고, 응용처가 늘어나다 보니 그렇게 보이기도 하는 것이지요. 과거 리튬이온전지가 핸드폰에 주로 사용이 될 때도 소비자들은 여러 가지 희망사항을 가졌죠. ‘아침에 충전하면 하루 종일 방전 걱정 없이 사용하고 싶다’ ‘1~2년 써도 처음 샀을 때처럼 사용할 수 있으면 좋겠다’ ‘발화사고, 이런 것 없었으면 좋겠다’ ‘보조배터리 사는데 가격이 좀 쌌으면 좋겠다’ 등등. 이러한 것이 과학적인 용어로 말하면 에너지밀도, 수명, 안전성, 경제성 등 입니다. 물론 리튬이온이차전지가 현재로선 가장 우수한 이차전지이기는 하나, 소비자의 요구와 비교를 하면 한계가 있는 것으로 평가를 할 수 밖에 없습니다. 에너지밀도의 경우 이론적인 한계점이 존재하고, 수명의 경우 과거 대비 많이 향상이 되기는 했으나 중대형으로 가면서 더 긴 수명이 요구되고 있습니다. 간간히 일어나는 발화 사고로 안전성 걱정이 존재하고, 소형에서는 아주 중요한 요소는 아니었으나 중대형으로 가면서 가격이 매우 중요한 요소가 되는 등 여러 한계점이 있습니다. 이러한 요소들 때문에 리튬이온이차전지를 개선하려는 노력을 많이 하고 있으나 새로운 전지 시스템, 즉 차세대 이차전지에 대한 요구가 늘어나고 있습니다.”

-중대형 응용처 사용에 있어 가장 중요한 요소는 뭔가요?

“이차전지가 중대형으로 바뀌면서 소형과는 다르게 더욱 강조되는 점들이 있습니다. 안전성, 수명, 경제성 등이지요. 소형 이차전지가 발화될 때보다는 중대형 이차전지가 발화되면 문제가 더 크겠지요. 중대형 이차전지는 규모가 크기 때문에 가격의 중요성이 커지는데 수명을 늘리면 상대적으로 가격이 낮춰지는 효과가 있고, 이차전지를 만들 때 들어가는 소재·부품·공정 등 경제성을 확보하면 시스템 가격을 낮출 수가 있습니다. 물론 에너지밀도, 출력 등 다른 요소들이 중요하지 않다는 얘기는 아닙니다. 다만 이차전지가 사용되는 응용처에 따라서 더욱 중요하게 평가받는 요소들이 있습니다. 어찌 보면 응용분야 맞춤형 이차전지가 점점 더 필요하게 되는 거지요.”

-‘포스트 리튬이온 전지 소재’ 기술은 무엇인가요?

“이차전지는 4대 핵심 소재가 매우 중요합니다. 4대 핵심소재란 양극·음극·전해질·분리막인데요, 이것들이 이차전지의 성능, 혹은 특성을 결정하는 가장 기본적인 요소가 됩니다. 해당 기술은 리튬이온이차전지 이후 세대에 사용될 수 있는 이차전지의 핵심 소재를 개발하는 내용입니다.”

-위 기술은 4대 핵심 소재 중 어디에 특화됐나요?

“저는 특히 양극과 음극 소재에 집중을 하고 있고, 전해질·분리막 관련 연구도 병행하고 있습니다. 이러한 소재의 중요성을 잘 나타내고 있는 것이 어쩌면 각각 이차전지의 이름입니다. 리튬이온전지, 납축전지, Ni-Cd 전지, Ni-MH 전지 등 대부분 이차전지의 이름이 이들 소재로부터 유래가 됩니다.”

-위 기술을 활용하면 어떤 효과를 기대할 수 있나요?

“앞서 말씀 드린 바와 같이 이차전지는 핵심 소재에 의해 시스템이 결정됩니다. 새로운 소재를 사용하면 새로운 시스템이 될 수가 있지요. 따라서 새로운 소재를 사용하면 새로운 특성을 갖는 이차전지가 됩니다. 만약 Na관련 소재를 사용하면 나트륨이온전지가 되면서 매우 값싼 이차전지를 만들 수 있고, 리튬이온이차전지에서 액체전해질을 고체전해질로 대체를 하면 매우 안전한 전지가 되는 식입니다. 최근 이차전지의 응용처가 다양해지면서, 각각의 응용처에서 요구하는 조건을 만족하는 다양한 이차전지 개발 요구가 많습니다. 차세대 전지용 소재를 잘 개발한다면 다양한 응용처에 맞는 맞춤형 이차전지의 개발이 가능합니다.”

-어떤 분야에 활용이 가능한가요?

“저는 차세대 이차전지 중 특히 나트륨이온전지와 전고체전지에 조금 더 집중을 하고 있습니다. 나트륨이온전지의 경우 매우 풍부한 나트륨 자원을 사용하기 때문에 가격 경쟁력이 중요한 응용처에 사용이 가능합니다. 예를 들면 전력저장장치(ESS)에 사용될 수 있습니다. 전고체전지의 경우 매우 안전한 전지로 안전성이 강조되는 응용처에 사용이 가능하며 대표적으로 전기자동차가 있습니다. 이외에도 위 기술들을 응용한다면 PM용, 웨어러블 기기용 등 다양한 응용처에 활용이 가능하리라 생각합니다.”

-그간 중점적으로 연구하신 것은 무엇인가요?

“제 연구 분야는 과거에는 리튬이온이차전지용 전극소재·이의고도분석 기술에 집중이 돼 있었습니다. 차세대 이차전지의 중요성이 점점 커지면서 지금은 나트륨이온전지·전고체전지용 소재로 많이 옮겨왔습니다. 고도 분석기술은 여전히 사용하고 있고요. 고도분석 기술은 주로 X-ray를 이용해 실시간 분석하는 것을 주로 적용합니다. 소재중에서도 양극·음극 소재에 좀 더 집중을 하고 있고, 전해질·분리막 연구도 병행하고 있습니다.”

-현재 기술 개발 단계는 어디쯤인가요?

“KIST의 정관 제1조에 보면 ‘국가과학기술을 선도하는 창조적 원천기술을 연구·개발하고 그 성과를 확산함을 목적으로 한다’라는 문구가 있습니다. 꼭 정관 때문은 아니나 아무래도 원천기술을 연구하는데 집중한 것 같습니다. 기업에서 진행하는 연구처럼 1~3년의 단기간 내에 바로 상용화 되지는 않겠지만, 저 혹은 저와 같이 일하는 동료들이 원천기술을 개발하면 추후 기업에서 상용화 하는 밑거름으로 사용 가능하리라 생각하고 있습니다. 기술 개발 단계로 굳이 말하자면 원천 기술 개발이라 해야 할 것 같습니다.”

-기술 완성도를 높이기 위해 보완되어야 할 부분은 없나요?

“제가 개발한 기술은 원천기술 성격의 기술들이 많아 향후 이들의 성능을 더 높이고 상용화에 활용하기 좋은 형태로 연구·개발을 꾸준히 진행해야 합니다. 이 부분은 저희도 열심히 하지만, 상용화 쪽에 관심이 많은 연구그룹과 협업도 중요하다고 생각합니다.”

-이 기술의 궁극적인 목표는 뭔가요?

“작게 본다면 우리가 개발한 기술이 향후 시장에 나오는 것이 목표일 수 있을 것 같습니다. 크게 본다면 다양한 이차전지 기술을 개발해 각각의 응용처에서 요구하는 조건을 만족하는 다양한 이차전지 시스템을 만들고, 이를 이용해서 우리의 삶이 더 좋아지는 것을 보고 싶네요.”

-미래 100대 기술로서 앞으로 어떻게 발전할 가능성을 가지고 있다고 생각하시나요?

“이차전지는 성장 가능성이 매우 높은 사업으로 평가를 받고 있습니다. 최근 언론에서는 향후 반도체만큼이나 시장이 커질 것이라고 합니다. 시장 잠재력도 있지만, 우리의 일상생활과도 밀접하게 연결이 됩니다. 핸드폰, 노트북, 무선이어폰, 자동차 등 현재 우리가 일상생활에서 사용하는 기기들은 대부분 전기 동력원이 필요하고, 이차전지가 이 부분을 담당하고 있습니다. 시간이 조금 더 지난다면 일반 소비자들은 본인이 이차전지를 사용하는 것을 인식도 못한 채, 자연스럽게 쓰는 시대가 올 것입니다. 앞으로의 발전 가능성은 무궁무진하다고 생각합니다.”

-최근 연어의 DNA를 활용해 고성능 양극 소재를 개발한 걸로 압니다.

“언급하신 최근 연구내용은 UNIST 이상영 교수님과 공동연구를 통해 진행한 것입니다. 리튬이온이차전지에 적용할 수 있는 양극 소재 관련 내용인데요, 이러한 양극 소재 중 OLO(over lithiated oxide)라고 해서 리튬의 양을 과량으로 해서 양극 소재의 용량을 높인 것이 있습니다. 그런데 이 소재는 초기 용량은 매우 높지만, 소재의 퇴화가 빨라 수명 특성이 매우 나쁜 특성이 있습니다. 이렇게 수명 특성이 나쁜 원인을 분석해 내고, 이를 개선해 수명 특성을 향상한 연구입니다. 이를 위해 연어의 DNA를 이용해 처리를 했고, 개선된 특성의 원인을 분석해 냈습니다. 합성·개질 관련 내용은 UNIST, 고도 분석 관련 내용은 KIST에서 맡아서 진행했습니다. 100대 기술에 선정된 것과 같은 연장선에 있다고 생각이 됩니다.”

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정경윤 박사는?

1992~1998년 연세대학교 금속공학과 학사

1998~2003 연세대학교 금속공학과 박사

2003~2004 연세 나노과학기술연구단 박사후 연구원

2004~2006 미국 Brookhaven National Lab. Research Associate

2006~2011 KIST 이차전지연구센터(현 에너지저장연구단) 선임연구원

2011~2014 KIST 에너지융합연구단(현 에너지저장연구단) 책임연구원

2014~ KIST 에너지저장연구단 단장

2006~ 과학기술연합대학원대학교 KIST School 에너지환경융합 교수