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    • 박문정 교수
      식물 ‘헤나’를 이용한 리튬이온전지 연구
      박문정 교수(POSTECH 화학과)
      이메일:moonpark at postech.ac.kr
      장소:서면 인터뷰
      1856 1 18

    안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!

    리튬이온 배터리는 안전성의 문제로 여러 기업이나 연구소들이 이를 대체할 연구를 끓임 없이 진행해오고 있습니다. 삼성전자의 최신 스마트폰에서 촉발된 발화 사건으로 더욱더 배터리의 안전성에 대한 자조 섞인 목소리가 매우 시끄러운데요. 최근 국내 연구진이 헤나에서 추출한 염료를 이용해 친환경 리튬이온배터리를 만드는 데 성공했습니다. 박문정(POSTECH) 교수님과 자세한 이야기를 나눠보도록 하겠습니다. 


    1. 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 주홍색 연료인 ‘라우손(Lawsone)'을 차세대 리튬전지의 양극재로 적용하는데 성공하신 걸로 알고 있습니다. 연구에 대한 소개를 부탁드립니다.

    현재 상용화된 리튬전지에 사용되는 무기 양극재(Lithium Cobalt Oxide)는 가격이 비싸고, 해로운 재료이기 때문에 앞으로 쏟아져 나올 리튬전지 폐기물의 환경오염문제가 큰 문제로 대두되고 있습니다. 이러한 상황에서 본 연구진은, 인체의 문신 및 머리 염색에 사용되는 헤나 잎을 이용하여 친환경 전지를 구동하는 데 성공하였습니다.

    지난 5천 년간 인류가 머리카락의 염색 혹은 문신용 염료로 흔하게 사용해온 Law one이라는 염료는 헤나라는 식물의 잎에서 추출하는 친환경 염료입니다. 이를 리튬전지 전극재로 최초로 사용하여 우수한 전지특성을 구현함으로써, 새로운 미래 에너지원을 확보하고 경제성과 친환경성을 동시에 확보하였고, 위 언급한 문제를 근원적으로 해결할 수 있을 것으로 판단합니다.

    관련논문: Tattooing Dye as a Green Electrode Material for Lithium Batteries

    헤나의 경우 1kg에 수천 원 수준으로 저렴하며 이로 인해 현재 전체 리튬전지 가격의 44% 정도를 차지하는 양극재의 가격을 현저히 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 특히 자연에서 값싸고 흔하게 얻어지는 물질을 발굴하였다는 점에서 미래 녹색 전지를 제작할 수 있는 새로운 가능성을 제시하였으며, 충·방전 용량이 상용화된 Lithium Cobalt Oxide의 두 배에 육박한다는 것 또한 중요한 연구 성과라고 할 수 있습니다. 본 연구진이 개발한 친환경 유기 양극재는 10분 내외로 충전이 가능하며, 이는 유기물이 낮은 전도도를 보인다는 통념을 깨고 무기 전극 소재 수준으로 빠르게 리튬을 충·방전 할 수 있다는 것을 검증한 최초의 연구 결과입니다. 용량 및 충/방전 속도의 향상은 차세대 리튬 이차전지의 핵심기술로써 국내 리튬 전지 소재 및 핵심기술의 발전에 크게 이바지할 수 있습니다. 유기 양극재의 분자 구조 및 배열을 제어하여 그 전기화학적 특성의 향상한 최초의 연구 사례를 보고함으로, 초기 연구단계 수준인 유기물 기반의 리튬전지 연구에서 “친환경”이라는 키워드까지 포함하고, 이 분야 선도적인 역할을 수행할 것으로 예상합니다.




    2. 기존 리튬이온배터리는 액체 전해질이 가지고 있는 발화, 폭발 등의 위험성을 상당히 낮출 수 있기 때문에 유력한 차세대 전지로 기대 받았습니다. 교수님께서 연구하신 식물을 이용한 리튬이온배터리는 폭발과 발화는 적지만 수명 면에서 한계점이 있을 것 같은데요. 어떠한가요?

    본 연구진이 보고한 Lawsone을 양극으로 하는 리튬 전지는 280 mAh·g-1 의 방전용량과 (이론 용량의 99%에 해당) 644 Wh·kg-1의 높은 에너지 밀도, 0.5 C 충방전 조건에서 1000 cycles 이상의 긴 수명, 그리고 5 C의 빠른 충방전속도 특성을 보여주었습니다. 이러한 결과는 현재까지 보고된 다른 유기 양극재 뿐만 아니라 상용화된 LiCoO2 양극 (140 mAh·g-1, 520 Wh·kg-1)과 비교하였을 때 매우 두드러진 성능 향상에 해당하며, 이러한 결과는 Lawsone 분자의 독특한 2차원 평면 형태로의 분자배열(Molecular Packing)에 기인하며 이를 통해 Lawsone 분자의 인접한 산화환원 활성 부위의 p오비탈 중첩이 극대화됩니다.  이러한 이유로 Lawsone분자는 다른 합성된 퀴논 분자들보다 수백배 이상 향상된 전기전도도 및 이온전도도를 가지며 이를 통해 지금까지와는 다른 우수한 전지 특성을 확인할 수 있었습니다.




    3. 과거 일본과 미국 연구진은 딸기와 호두의 추출물을 이용해 리튬이온전지의 전극으로 활용한 바가 있다고 알고 있습니다. 교수님 연구에서 개발하신 기술은 일본과 비교해 어떠한 차이점이 있을까요?

    과거에 연구된 딸기와 호두의 추출물 기반 유기 양극재는 “친환경 리튬전지” 연구를 개척하였다는 점에서 매우 중요합니다. 하지만, 위에서 이미 언급한 바와 같이, 유기물 기반 전극 물질(Quinones)은 그 이온/전기 전도도가 무기 전극 소재보다 확연히 떨어지기 때문에 이론용량의 절반에도 미치지 못하는 등, 좋은 전지 특성을 얻지 못하고 있었습니다. 특히, 친환경 유기 전극의 경우는 지금까지 보고된 종류도 손가락에 꼽을 뿐만 아니라, 그 특성은 확연히 떨어져, “가능성을 보였다.” 정도의 의미만 갖습니다. 이에 비교해 본 연구진의 헤나 잎에서 추출한 Lawsons 물질의 경우 이러한 기존 연구의 한계를 크게 뛰어넘는 연구결과입니다..


    4. 현재 이 기술의 산업적 응용이 어느 정도로 진행되며, 구체적으로 어떤 사업에 활용이 되는 건가요?

    현재는 국내 및 해외 지적재산권 확보에 집중하고 있으며, 그 후 관련 분야 기업체와 기술이전 관련 협의를 진행할 예정입니다. 응용 분야는 리튬 이차전지이고, 특히, 무기 전극 소재에 비해 밀도가 작기 때문에 대용량 전지의 무게를 줄이는 등 긍정적인 효과를 생각해볼 수 있습니다. 이는 웨어러블 소자의 전지에 특히 매력적으로 다가설 수 있습니다.  


    5. 최근 낮은 원가의 중국 기업과 경쟁으로 우리나라 배터리 업체들이 큰 위험이 되고 있다고 합니다. 교수님의 연구가 배터리성장에 큰 기여를 할 것 같은데요. 연구 중 극복해야할 과제나 현재의 문제점은 없으신가요?

    대부분의 유기전극 소재는 충·방전 과정 중 음이온성 중간체로 변하면서 전해액에 잘 녹아 나오는 치명적인 문제점을 보입니다. 그 때문에 Long Cycle 특성을 얻기가 매우 Challenging 하구요. Lawsons 물질의 경우는, 분자 간의 강한 Molecular Packing 때문에 이러한 문제를 크게 해결할 수 있었습니다. 유기전 극소 재는 자연에 존재하는 것을 추출하는 것이기 때문에 중국 기업들의 싼 인건비가 크게 이득으로 작용할 것 같지 않습니다..


    6. 한국인으로 처음으로 미국 물리학회(APS)가 주는 ‘딜런 메달’을 수상하셨습니다. 아시아에서는 2006년 일본 교토대겐지 우라야마 교수에 이어 교수님께서 두 번째라고 하시는데요. 소감을 부탁드립니다.

    개인적으로 매우 영광스럽게 생각합니다. 2002년부터 매년 APS에 참석해 왔고, 소위 말하는 Rising Star 교수들이 딜런 메달을 받는 것을 보고 막연히 멋있어만 보였지, 제게 일어날 일이라고 생각하지는 못했던 것 같습니다. 포스텍 부임 후, 이온 전도성 고분자전해질 소재에 관한 연구 역량이 점차 쌓여가고, 이 분야 전 세계 Leading Group으로 성장하고 있는 것을 깨닫고 난 이후부터 조금씩 욕심이 들었던 것 같고, 운 좋게 여러 상황이 잘 맞아떨어져서 수상의 영예를 안은 것 같습니다. 사실 미국 학회에서 주는 상을 미국 대학에 재임하고 있지 않은 외국 교수가 수상하는 것은 매우 이례적인 일로, 많은 해외 석학분들께서 제가 이 상을 받을 수 있도록 도움을 주셨습니다.




    7. 지금 하고 계신 연구들도 많으시지만, 앞으로의 계획이나 연구진행 방향 대해서 궁금합니다.

    현재 고체 고분자 전해질을 디자인하고 합성하는 일을 집중해서 수행 중이며, 이러한 고분자 소재 내에서 이온이 움직이는 경로를 수옹스트롬 단위에서 이해하려는 Fundamental 한 연구에 집중하고 있습니다. 학부생을 상대로 쉽게 설명할 때 밀폐된 공간의 방귀를 예로 들어요. 일반적으로 기체는 1초에 약 500m 이동합니다. 메탄가스인 방귀 역시 이론상 1초가 지나면 바로 냄새가 느껴져야 하는데 그렇지 않죠. 왜냐하면, 기체는 직선 운동이 아니라 무작위 운동을 하므로 짧은 시간 동안 우리의 코에 닿기까지 수십 킬로미터를 돌아옵니다.

    모든 전지는 양극과 음극, 전해질로 구성되어 있고 전류는 전해질 내 이온의 산화-환원 반응 때문에 생깁니다. 이온 역시 무작위 운동을 하죠. 전해질 내 이온의 무작위 운동은 전지의 효용 면에서 볼 때 손실이 생길 수밖에 없어요. 제가 한 연구는 고분자 전해질 분리 막을 이온이 움직일 수 있는 지름길로 만들어 전지의 효용을 높이는 일이에요. 이 연구는 모든 전기화학 시스템에 적용 가능합니다. 예를 들어 이 이론을 토대로 리튬 배터리를 만든다면 제조 가격은 5분의 1 수준으로 줄고, 용량은 4배 이상 높일 수 있죠. 이러한 고분자 전해질 소재가 연료전지, 이차전지, 고분자 액추에이터, 화학 센서 등 다양한 전기화학 디바이스에 사용되고 있다는 점을 고려할 때, 근원적인 지식에 기반을 둔 원천기술 확보는 매우 의의가 높으며, 국가 경쟁력을 높이는 데 크게 기여할 것으로 생각합니다.


    8. 같은 분야를 공부하는 대학원생들에게 한 말씀 부탁드립니다.

    고분자 소재는 그 응용분야가 방대하고, 이미 산업적으로 대량 생산이 가능한 올레핀 수지에서부터, 아직 상용화까지는 갈 길이 먼, 제가 연구하고 있는 이온 전도성 소재까지 그 종류가 매우 다양합니다. 이 분야 연구가 다른 재료 화학 분야보다 진척도가 느리지만, 가져올 파급효과는 가히 상상을 초월할 수준입니다. 예를 들어 전 국민이 사용하고 있는 휴대폰 배터리를 완전히 교체할 수 있으며, 휘발유 기반 자동차를 모두 이차전지기반 전기차로 대체할 날도 머지않은 미래에 올 것으로 생각합니다. 이 분야 연구하고 있다는 것을 저는 항상 매우 자랑스럽게 생각합니다.
     

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    전체댓글 18

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    |2018.01.04
    좋은정보 감사합니다.
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    |2018.01.02
    좋은내용 감사합니다~ 특히 자연과 친화적인 기술, 큰 관심이 되며 좋은 결과가 이루어지길 바랍니다. 감사합니다.
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    |2018.01.02
    유용한 정보 감사합니다.
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    유용한 정보 감사합니다.
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    |2018.01.02
    좋은 자료감사합니다.
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    |2018.01.02
    좋은 정보 감사드립니다.
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    |2018.01.02
    좋은자료 감사합니다.
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    |2017.12.27
    좋은 내용 잘 읽었습니다. 자랑스럽네요! 앞으로도 훌륭한 선생님이 되시길 바랍니다. 감사합니다.
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    |2017.12.26
    좋은정보 감사합니다.
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    |2017.12.22
    수고하셨습니다!
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    유용한 정보 감사드립니다.
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    |2017.12.22
    기대가 됩니다! 잘 봤습니다! :)
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    |2017.12.22
    유용한 정보 감사드립니다.
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    |2017.12.22
    유용한 정보 감사합니다.
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    |2017.12.21
    친환경 재료를 이용한 리튬이온전지 개발이란 점이 흥미롭습니다. 자연에서 얻을 수 있는 에너지인 만큼 향후 많은 기대가 됩니다.
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    |2017.11.15
    친환경 유기전극이 가능성을 뛰어넘어 발전된 모습으로 상용화가 빨리 이루어지기를 바라겠습니다.
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    |2017.11.15
    리튬이온전지 연구가 잘 진행되어서 스마트폰 부품중 가장 발전이 느리다고 평가받는 배터리가 하루 빨리 개선되었으면 좋겠습니다.
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    |2017.11.15
    교수님의 인공근육소재에 대한 동영상 인상깊었습니다. 인터뷰 내용도 연구하는데 많은 도움이 될것 같습니다.
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