한양의 맥박 꿈의 전지‘ 탄생
리튬공기전지 개발한 선양국 교수 (공과대-에너지)팀
“한 번 충전으로 서울-부산 왕복 가능...5년 내 상용화 가능”    

현재 차량에 사용되고 있는 ‘리튬이온전지’가 상용화 된지 20년. ‘납 축전지’는 개발된 지 200년이 지났지만 전지개발의 속도는 더디다. 그만큼 새로운 기술혁신이 어렵기 때문이다. 이 가운데 꿈의 전지가 탄생했다. 우리대학 선양국 교수(공과대·에너지)팀이 ‘리튬공기전지(Lithuim-air battery)’ 개발에 성공한 것이다. 이는 전지 개발사의 한 축이 바뀌는 순간이자 새로운 역사의 시작을 알리는 신호탄이다.

선 교수팀이 개발한 ‘리튬공기전지’는 한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 고성능 전기자동차 전지다. 도요타(Toyota), 아이비엠(IBM) 등 대기업과 학계가 수 십 년 간 총력을 기울여 연구해왔지만 별다른 성과를 거두지 못했던 전지개발이었다. 선 교수팀의 이 연구결과는 지난 7월 1일자 세계적인 학술지 네이처(Nature)의 자매지 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’에 게재됐다. 전세계 학계와 산업계가 선 교수를 주목하고 있다.
‘꿈의 전지’가 탄생하다

환경 오염이 적은데다 소음이 적고 연료비도 적게 드는 전기차. 차세대 운송수단으로 각광받고 있지만 대중화는 아직 이르다. 전지가 걸림돌이다. 기존 기술로는 한 번 충전으로 160km 주행이 한계이기 때문이다. 하지만 이번 선 교수팀이 개발한 전지는 한 번 충전으로 800km 이상 주행할 수 있다. 서울과 부산을 왕복할 수 있는 거리다. 리튬공기전지가 ‘꿈의 전지’라 불리는 이유다.
전지는 음극, 양극, 전해질로 구성돼 있다. 리튬공기전지의 개발은 ‘특수 전해질’ 덕분이다. 기존 리튬이온전지에 쓰이던 ‘카보네이트’계 전해질을 ‘에테르계’의 전해질인 'TEGDME(Tetra ethylene dimethyle glycol ether)'으로 교체해 성능을 대폭 향상시킨 것. 그동안 여러 연구에서 TEGDME활용을 시도했으나 한계에 머물러 있었다. 선 교수는 그 한계를 뛰어넘기 위해 전해질 수분 관리방식을 개선하는 등의 노력을 기울였다. 게다가 전지구성에 필수인 양극소재를 비싼 망간, 코발트 대신 저렴한 탄소로 대체했기 때문에 전지 생산 단가도 저렴해졌다.

리튬공기전지의 별칭인 ‘꿈의 전지’는 이중적인 의미를 지니고 있다. 말 그대로 혁신을 가져다 준다는 기대와 함께 꿈처럼 현실화 가능이 의문으로 따라다녔기 때문. 리튬이온전지 개발 이 후, 거듭되는 실패로 학계와 산업계는 꿈의 전지를 포기하는 상태에 이르렀다. 결국 학계와 산업계는 ‘꿈의 전지는 리튬공기전지가 아닌 리튬설퍼(Sulfur,황)전지다’라는 합의점을 찾던 중이었다. 하지만 이를 해낸 것이 바로 선 교수팀. 선 교수팀의 논문발표는 침체된 학계에 새로운 숨을 불어 넣었다. 꿈의 전지는 기술 발전뿐만 아니라 전 세계의 전지개발을 꿈꾸는 사람들에게 희망도 가져다 주었다.

 

새로운 산업패러다임에 혁신을 가져올 ‘리튬공기전지’

선 교수팀의 개발은 단순 전기자동차의 발전에만 유효한 것이 아니다. 전기자동차뿐만 아니라 IT, 로봇 산업 등 활용폭이 무궁무진하다. 예를 들어 이 기술을 활용하여 스마트폰이나 노트북 등 IT 기기의 사용시간을 획기적으로 늘릴 수 있다. 특히 선 교수는 “전력 공급 개선을 크게 기대하고 있다”며 “리튬공기전지를 활용하면 현재 우리나라가 직면한 전력난도 어느 정도 해결할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다. 심야에 잉여전력을 비축, 전력 과부하 시간에 공급하는 방식으로 리튬공기전지를 활용할 수 있기 때문이다. 선 교수는 전력을 사용하는 모든 분야에서 리튬공기전지가 응용 가능할 것으로 전망한다.
선 교수는 기술상용화 시점을 차후 5년으로 보고 있다. 실생활에서 사용하기까지는 안전성 문제가 해결되어야 한다. 음극으로 사용되고 있는 리튬 금속을 안정화하는 기술이 필수적이다. 알칼리 금속은 공기 중의 수분과 반응이 격렬하기 때문에 일상생활에서도 사용할 수 있도록 '분리막' 개발이 필요하다. 또한 일정량에 에너지 밀도를 높이는 양극의 전극밀도 증대 기술도 개발되어야 한다. 선 교수팀은 이를 긍정적으로 내다보고 있다. 이미 꿈의 전지 개발이 이 곳, 한양에서 시작되었기 때문이다.
전극구조의 음극과 양극처럼, 팀은 ‘궁합’이 맞아야전극구조에서 음극과 양극의 ‘궁합’은 매우 중요하다. 선 교수는 “전극구조처럼 팀 간의 궁합도 중요하다. 이번 연구 개발의 성공도 팀원 간의 유기적인 협력에서 비롯됐다”고 말한다. 이번 연구에서 전체적인 연구 조율을 맡은 선 교수는 “각자가 뛰어나도 궁합이 안 맞으면 소용없다”고 강조했다. 리튬공기전지의 개발은 각자가 하나의 목표를 향해 달려갔기 때문에 달성한 것이기 때문이다.
우리대학은 연구역량이 탁월한 해외학자를 대학에 유치하기 위해 교육과학기술부가 실시한 ‘세계 수준의 연구중심대학 육성 사업(World Class University)’에 참여 중이다. 이 사업을 통해 만난 이탈리아의 세계적 전지 권위자인 브루노 스콜사티(Bruno Scrosati) 교수가 전해질 분야 연구를 맡았다. 미국 국립연구소 알곤 연구소와의 교류도 전지 개발에 많은 도움이 됐다. 팀원간의 효율적인 역할분담이 빛을 발한 것이다.
선 교수가 소장으로 있는 ‘에너지저장 및 변환소재 연구실’도 최고의 궁합을 자랑한다. 대학원생 15명, 박사 후 과정(Post Doctor) 4명으로 구성된 이 곳은 매주 토요일이면 떠들썩하다. 한 주 동안의 연구 경과 보고(Weekly report)가 있기 때문. 선 교수는 “바쁜 일정 속에서도 토요일 보고회를 가장 중요하게 생각한다”고 말한다. 실제로 단 한 번도 보고 시간을 어기거나 거른 적이 없다. 선 교수는 “하루 종일 발표와 토론이 이어지기 때문에 꾸준한 활동이 쉽지 않은 것이 사실이지만 끊임없는 토론 속에서 아이디어가 나온다”고 강조한다. 실제 이번 연구 성과에서 중요 부분이었던 ‘양극 전극 구조와 전지시스템 디자인’ 역시 선 교수 연구실에 정훈기 박사가 담당했다. ‘현장에서 바로 쓰일 수 있는 기술을 연구한다’는 선 교수의 방침이 주효하다는 증거다.

   

“자기 자신을 사랑하는 것은 모든 활동의 원동력”

연구 현장 최일선에서 뛰는 선 교수는 “천연자원이 부족한 우리나라는 결국 인재밖에 없다”고 힘주어 말한다. 최근 많은 학생들이 기초 과학을 연구하고 개발하는 분야를 회피하는 경향에 대한 우려를 표한 것이다. 기술 개발의 중요성은 날로 커져가지만 대한민국의 현실 속에서는 이야기가 다르다. 막상 이공계로 진로를 정하고 난 뒤의 학생들도 고민의 길을 걷는 것은 마찬가지. 그런 제자들에게 선 교수는 “자기 자신을 사랑하라”고 조언한다. 자기애야 말로 모든 활동의 원동력이라는 것. 또한 자기 적성에 맞는 연구 방향을 꾸준히 모색하기 위해서 교수들의 연구에 관심을 가지고 살펴보라는 조언도 전했다.
선 교수는 한양인들에게 남길 한마디도 잊지 않았다. 선 교수는 ‘한양이라는 이름 안에서 우리는 모두 같은 구성원’이라는 점을 늘 기억해야 한다고 강조했다. 한양의 발전을 위해서는 다 함께 노력해야 한다는 것이다. 특히 연구 현장에서 한양의 이름이 더욱 드높아 지기를 바라는 선 교수. 그가 남긴 마지막 말은 바로 “자신의 분야에서 최선을 다하자” 였다.