'산업의 취약성을 보완하는 혁신 연구 김종호 재료화학공학과 교수' 

사회 변화에 맞게 산업도 빠른 속도로 재편성되고 있다. 이러한 시점에서 이뤄지는 혁신 연구는 곧 기술력 향상과 안정적인 사회 변화를 위한 필수 요소다. 김종호 재료화학공학과 교수는 전기차 배터리의 문제점을 해결함으로써 기술의 한계를 극복하는 데 일조할 것으로 주목받고 있다. (글 : 이연주, 사진 : 손초원)

전고체 배터리의 혁신이 될 신소재 세계 최초 개발

국제에너지기구 보고서에 따르면 2022년 전기차 시장 규모는 1,000만 대로 전체 글로벌 자동차 시장의 14%를 차지했다고 한다. 2026년에는 전체 판매의 30% 이상을 차지할 것으로 보여 시장의 빠른 성장 속도를 가늠하게 한다. 탄소중립 실현을 위한 전기차 관련 연구는 급속도로 진척되며 새로운 기술로써 보완이 이뤄지고 있다.

그중에서도 주목해야 할 것은 단연 핵심 소재인 배터리다. 현재 상용화되고 있는 리튬 이온 배터리는 흑연 음극과 액체 전해질을 사용한다. 흑연은 리튬 이온을 효과적으로 저장할 수 있는 리튬 이온 배터리의 핵심 소재 중 하나다. 전해질은 리튬 이온이 빠르고 안정적으로 이동하게 하는 통로인데, 특히 액체 전해질은 이온전도도와 리튬 이온의 이동이 원활하고 제조 공정이 간편하다는 장점이 있다. 다만, 리튬 이온 배터리는 흑연 음극으로 인해 에너지 밀도가 떨어지고 액체 전해질의 특성상 화재와 폭발에 취약하다는 한계가 있었다. 흑연 음극의 한계는 리튬메탈을 이용해 에너지 밀도를 높일 수 있는데, 김종호 교수는 여기에 액체 전해질 대신 ‘양쪽성 이온을 갖는 유기골격체’를 적용한 고체 전해질을 접목해 액체 전해질의 문제점을 획기적으로 해결했다. 흔히 ‘꿈의 배터리’라고 불리는 전고체 리튬메탈 배터리의 연구를 매우 빠른 속도로 앞당긴 셈이다.

“제 연구실에서는 규칙적인 기공 구조를 갖는 결정성 공유결합 유기골격체를 합성해 금속-공기 이차전지에서 일어나는 산소환원-산화 촉매 전극소재를 수년간 연구하고 있었습니다. 이 과정에서 결정성 공유결합 유기골격체 구조가 전극 계면으로 이동하는 산소와 이온의 이동 속도를 결정한다는 걸 알게됐고, 이러한 기공 구조가 리튬 이온의 이동에도 영향을 미치지 않을까 하는 질문을 하게 됐죠.”

김종호 교수는 해답을 찾기 위한 3년의 연구 끝에 ‘양쪽성 이온을 함유한 공유결합 유기골격체 기반 고체 전해질(Zwitterionic covalent organic framework, 이하 Zwitt-COF 고체 전해질)’을 세계 최초로 개발해 원천 특허를 확보했고, 지난 5월 저명 학술지 『Advanced Materials』를 통해 새로운 소재 논문을 발표하며 주목받았다. 이는 전고체 리튬메탈 배터리와 고체 전해질 연구 중에서도 상위 2%에 해당하는 연구 논문으로 질적 우수성을 공인받았다. 기존에 시도되지 않은 새로운 개념이라는 점에서도 차별성이 있지만, 김종호 교수 연구팀이 개발한 Zwitt-COF 고체 전해질은 기존의 고체 전해질이 상온에서 리튬 이온 이동 속도가 떨어진다는 한계를 극복했다.

“배터리에 사용되는 전해질은 리튬염을 잘 해리한 후 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있게 도와줘야 합니다. 저희가 개발한 ‘Zwitt-COF 고체 전해질’은 양쪽성 이온을 함유하고 있어 상온에서도 리튬 이온을 잘 형성하게 하고, 규칙적으로 정렬된 기공 구조를 갖고 있어 리튬 이온의 효과적인 이동 통로가 되어 우수한 이온전도도를 나타내게 합니다.”

이에 더해 김종호 교수팀은 Zwitt-COF 고체 전해질로 배터리를 제작할 때 장시간의 충전과 방전을 반복해도 배터리 손상 없이 안정적으로 구동하는 것을 확인함으로써 이온전도도뿐만 아니라 안정성까지 확보했다.

획기적인 기술력을 산업과 사회에 적용하는 일

2027년부터 전고체 배터리를 양산하게 되면 2035년 글로벌 시장에서 약 400억 달러 규모,전체 배터리 시장의 10~13%를 차지하게 될 것으로 전망된다. 이를 목표로 국내 대표 배터리 기업에서도 투자와 연구를 적극 펼치고 있는 만큼, 김종호 교수 연구팀이 개발한 신소재의 산업 적용 가능성은 매우 높다. 김 교수는 기술을 사업으로 연결하기 위해 여러 추가 연구가 뒷받침되어야 한다는 점을 짚었다.

“Zwitt-COF 고체 전해질의 기술사업화를 위해선 배터리 산업체와의 긴밀한 공동연구와 고체 전해질의 양산화, 셀 제조 공정 등과 같은 실용화 연구가 추가로 진행되어야 합니다. 때문에 이러한 실용화 연구가 효과적으로 진행되기 위해서는 대학과 산업체의 중장기 공동연구 등 대학 차원의 지원이 매우 필요하죠.”

김종호 교수 연구실은 배터리 연구를 추진하는 에너지 분야와 바이오 메디컬 분야라는 두 축을 중심으로 움직인다. 배터리 분야 외에도 질병 진단 및 치료 기술에 대한 연구가 매우 활발한데, 김종호 교수 연구실은 알츠하이머 치매의 혈액 진단을 위한 나노센싱 기술을 개발하며 우수한 논문을 발표하고 원천 특허를 확보하는 등 사업성과 실효성이 높은 기술 개발을 적극 수행하고 있다. 이는 기존의 알츠하이머 치매 검사 시 발생되는 방사선 노출과 침습적인 뇌척수액 검사의 부작용을 막고 알츠하이머 조기 진단을 가능하게 한다. 김종호 교수는 이를 구체적으로 사업화하기 위해 올해 2월 ㈜나노필리아라는 이름의 벤처창업을 완료하고 실용화 연구를 활발히 진행하고 있다. 대학에서 이뤄지는 혁신 연구와 기술을 산업에 적용하기까지는 다양한 제반과 지원이 뒷받침되어야 한다. 김종호 교수는 특허출원을 통해 기술이전과 함께 전문 경영인과의 벤처 창업으로 기술이 사회의 보배가 될 수 있는 길을 모색하고 있다.

연구, 중요한 건 꺾이지 않는 마음

김종호 교수 연구실을 방문하니 연구실 소속 학생들의 이름과 함께 저명 학술지명이 나란히 쓰여진 보드가 눈에 띈다. 학생 스스로 연구에 대한 구체적인 목표를 수립하게 하고 다양한 논문을 바탕으로 스터디를 실행하고 있다는 김종호 교수는 학생들이 이러한 시간을 통해 ‘의미 있는 질문’을 끄집어낼 수 있 길 바란다.

“제가 생각하는 좋은 연구자는 학문적, 사회적, 산업적 관점에서 ‘의미 있는 질문’을 잘 생각해 낼 줄 아는 유연한 사고력을 가진 사람이라고 생각합니다. 의미 있는 질문을 끌어내려면 끊임없이 공부해야 하죠. 창의성은 무에서 발휘되는 게 아니니까요.”

우리 사회에 당면한 여러 이슈와 선행연구 결과에서 도출한 의문점과 간단한 질문이 우수한 연구 결과로 이어졌다고 덧붙이는 김종호 교수는 스스로에게 지속적으로 질문하고 답을 찾기 위해 노력할 것을 학생들에게 거듭 당부하고 있다. 그간 산업계에 매우 유효한 슈팅과 득점을 거둬온 김종호 교수의 연구는 이러한 치열한 연구와 질문에서 비롯됐다. ‘많은 실패가 있더라도 꺾이지 않는 마음을 유지하는 것’이야 말로 좋은 연구자라고 강조하는 김 교수는 오늘도 끊임없이 산업 문제에 귀 기울이며 질문을 던지고 있다.