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  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 이윤구(YoonKoo Lee)
      리튬이온 전지의 멀티 피직스, 멀티 스케일 연구
      이윤구(YoonKoo Lee)(한밭대학교 기계공학과)
      이메일:yoonklee at hanbat.ac.kr
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    1. 본인의 연구에 대해서 자세한 소개를 부탁 드립니다.

    리튬이온(Lithium-ion) 배터리는 IT산업의 에너지 고용량화, 경량화, 소형화 수요에 부합하여 휴대폰, 노트북, 카메라 등에 널리 사용되며, 최근에는 전기차를 중심으로 그 수요가 급증하고 있습니다. 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI) 등 미래 기술과 융합해 4차 산업혁명을 구체화할 주요 기술로 발전하고 있으며 신재생에너지 사용의 확대를 위해 필수적인 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS) 산업에서도 그 활용이 늘어나 시장의 폭발적 확장이 예상됩니다. 즉, 리튬이온 배터리 사업은 전기차, ESS에서 로봇에 이르기까지 다양한 응용산업 분야의 핵심 요소로 부상하고 있으며, 제조업과 정보통신기술의 연결로 촉발, 구체화하는 4차 산업혁명을 대표할 융합 기술이라고 볼 수 있습니다.

    전지를 연구하기 위해서는 재료, 화학, 전기, 기계 등 다양한 분야에 대한 지식을 바탕으로, 배터리 입자 단위부터 전극, 셀, 모듈, 팩, 그리고 시스템에 이르기까지 다양한 스케일을 아우르는 멀티 스케일 연구를 수행해야 합니다. 리튬이온 배터리의 멀티 스케일 연구의 한 예로, 배터리의 부피 팽창, 즉 스웰링 이슈를 생각할 수 있습니다. 리튬이온 배터리에서의 활물질 입자는 충·방전 과정에서 리튬 삽입/탈리가 반복되며 부피가 반복적으로 팽창/수축하며, 그 결과 입자 단위에서 crack이 발생할 수 있습니다. 전극 단위에서는 제조 과정 중 압연 등으로 인하여 높은 압력이 가해지기도 합니다. 셀 단위에서는 사용이 지속됨에 따라 비가역적 반응으로 셀의 두께가 두꺼워지고 셀 변형이 일어나는 현상이 발생합니다. 그 결과 배터리 팩 또는 시스템 단위에서 내부 압력이 증가해 그 구조가 붕괴되는 현상이 발생할 수 있습니다. 시스템 단위에서 생각할 때, 내부 발생 압력과 셀 두께 변화 등에 대한 정확한 이해 없이는 안전성과 신뢰성이 보장된 배터리 설계를 할 수 없습니다. 이런 현상을 명확히 이해하기 위해서는 입자 단위의 작은 스케일부터 시스템 단위의 큰 스케일에 이르기까지 다양한 스케일을 유기적으로 분석, 연결하는 연구를 수행하는 것이 매우 중요합니다. 시스템 내부에서 발생하는 서로 다른 스케일 수준의 정보를 연결하기 위해 다양한 실험과 validation을 진행하고 의미 있는 결과를 도출하는 것은 도전적인 과제이지만 또한 의미 있고 실용적인 연구입니다.

    저는 박사 과정 중 GM과의 협업 연구를 수행하며 다양한 스케일에 걸친, 여러 주제의 연구를 수행하였고, 학위 취득 이후에는 LG화학에 소속되어 실용적이고 실질적인 배터리 관련 연구를 진행해 왔습니다. 기계공학에 기반한 전기자동차 구조 및 시스템에 대한 연구 개발 경험과 전지재료 및 전기화학에 관한 여러 지식을 바탕으로 전기자동차, ESS 등의 다양한 에너지 시스템에 대한 융합적 연구를 지속해서 수행하고자 합니다.


    2. 미시간대학교에서 배터리 관련 연구로 박사학위를 받으신 걸로 알고 있습니다. 어떤 내용이었는지 소개를 부탁드립니다.

    석/박사 과정 중에 GM과 협업하여 진행했던 프로젝트는 5백만 달러 규모의 프로젝트였는데, 배터리를 탑재한 차량(GM Volt)의 충전 상태 (SOC), 주행거리, 수명 등의 다양한 차량 내부 정보의 예측과 차량 제어를 위한 다양한 모델을 개발하고 최적화에 기반한 배터리 팩을 설계하기 위해, 차량 내부에 탑재되는 배터리 셀, 전극, 원자 단위까지 연구한 대규모 융합 프로젝트였습니다. (Fig 2.)

    관련된 연구를 수행하는 교수 12명, 포닥 및 대학원생들 18명을 포함해 GM에 소속된 연구원들이 함께 참여하여 대규모 연구를 진행하였습니다. 프로젝트 내에서 제가 담당한 역할은 원자부터 셀 단위에서 퇴화 현상을 분석하는 실험 및 시뮬레이션을 수행하는 것이었습니다.



    먼저 원자 단위의 연구에서는 양자화학에 기반한 제1원리 계산법(First Principle Calculation)을 이용하여 표면 방향 (Surface orientation), 코팅 및 도핑 기법이 어떻게 용량 퇴화를 방지하는지 시뮬레이션 연구를 수행하였습니다. 다양한 표면 방향, 도핑에 따른 전기적 특성 및 Bonding 특성을 비교하며 왜 특정 표면 방향과 도핑 기법 사용시 망간 용출 현상, 그리고 그에 따른 용량 퇴화 현상이 발생하고 가속화되는지 그 원인과 메커니즘을 연구하였습니다.
    이보다 큰 셀 단위 실험에서는 코인 셀 등의 배터리를 직접 제작하여 충·방전 평가를 진행하며 전지의 성능 및 용량 퇴화를 측정하였으며, 나아가 용도에 따른 분석법(AFM, ICP-OES, SEM 등)을 활용하여 재료와 셀의 특성 변화 및 그 기작을 심층적으로 분석하였습니다. 이후, 이렇게 얻은 실험 결과를 물리학 기반 모델에 적용하고, 유한요소법(FEM)을 이용하여 전지의 성능 및 용량 저하를 예측하는 해석을 수행하였습니다. 이러한 연구와 함께 퇴화 현상 중 하나인 양극 용출 현상을 다양한 스케일에서의 접근법을 통하여 연구하여 박사 논문을 작성하였으며 학위를 취득하였습니다.



    3. 최근까지 LG화학에 계신다가 한밭대에 임용되신 걸로 알고 있습니다. LG화학에서는 주로 어떤 일을 하셨는지요. 학계로 자리를 옮기시면서 여러가지 변화를 실감하실 거 같은데요. 어떠신가요?

    박사 학위 기간 동안에 진행했던 원자 및 셀 단위 연구에서 한걸음 나아가 보다 실질적인 배터리 개발에 기여하고자 LG화학 배터리 연구소 내의 모듈/팩 선행 개발연구팀에 합류하였습니다. 5년 근무 기간 동안 많은 프로젝트를 진행하였는데, 아래 두 가지 분야로 크게 나눌 수 있습니다.

    1) 선행 협업 연구 및 제품 개발

    차량에 탑재되는 배터리의 성능을 극대화하고 내외부 충격으로부터 안전하게 보호하기 위한 냉각 및 구조 안전성에 대한 연구를 VW, 르노, 다임러 등의 다양한 자동차 회사와 함께 공동 수행하였습니다. 대표적인 예로 40조원 규모의 VW 신규 전기차 플랫폼 사업인 VW MEB 사업 수주를 위해 효율적인 냉각 시스템을 비롯해 충돌 및 진동 등에 대한 구조 안전성을 가진 제품을 설계하고 설계안을 제안하여 제품 수주 달성에 기여하였습니다.
    ESS의 경우, 효율적 냉각을 위해 모듈에서 랙 단위로 냉각의 범위를 확장시키면서 동시에 모듈 재료비를 40% 절감하는 냉각 기법을 도입하였습니다. 이런 연구 개발 과정에서 내부적으로 연구를 주로 수행하였지만, 때로는 엔지니어링 업체인 FEES(독일)와 AVL(오스트리아) 등과 협업하여 신규제품 설계를 진행하였습니다. 특히 FEES와는 차량 언더바디 팩 개발 및 차량 신규 냉각구조 모듈 개발 프로젝트 등을 포함해 4년 동안 5개의 프로젝트를 진행하였습니다. 다양한 방법으로 개발한 기술 및 제품을 바탕으로 GM, 르노 등에 신규 설계안 관련 기술을 제시하였고 공동 연구를 수행하였습니다.

    2) 기반 기술 연구

    배터리 설계 시 맞닥뜨리는 어려운 이슈 중 하나는 배터리가 퇴화됨에 따라 셀이 부푸는 스웰링 현상입니다. 실제로 이로 인해 배터리 팩 구조가 붕괴되는 현상이 발생할 수 있는데, 제품 설계시 스웰링 기작과 소재의 특성에 대한 이해 없이는 스웰링 현상에 대한 예측이 어려우며 구조 안정성이 보증된 제품을 설계하기가 어렵습니다. 배터리 내부 기작에 대한 이해를 바탕으로 연구 성과를 성공적으로 도출하였으며, 이 공로를 인정받아 LG화학에서 연구 개발상 본상을 수상 하였습니다.

    리튬이온 전지가 봉착한 또 하나의 기술적인 문제는 바로 차량, ESS 등 높은 에너지 밀도 제품의 안전성 문제입니다. 배터리의 단락이나 화재 문제를 예방하기 위해서는 배터리의 파괴 기작에 대한 이해가 필수적인데 이에 관한 연구를 위해서는 재료 및 전기화학 뿐 아니라 이러한 현상을 예방하기 위한 기계 시스템에 대한 이해가 필수적입니다. 여러 연구를 바탕으로 ESS팩의 신규 구조를 도출하고 제작해 실제 안전성 평가를 수행하였으며 안전성 보완 구조도 여러 건 도출하였습니다.

    위의 여러 연구 및 개발 성과를 바탕으로 셀/모듈/팩, 차량 및 ESS 시스템의 안전성에 관련된 기술로 국내 특허를 17 건 등록, 48건 출원하였으며, 해외에도 이를 확대 적용하여 45건의 특허를 등록, 약 100 여건의 특허를 출원하는 등의 성과를 거두었습니다 (2020년 2월 기준). 향후에도 관련 기술에 대한 이해를 바탕으로 여러 연구를 지속할 계획입니다.

    회사에서 학계로 자리를 옮기면서 느끼는 차이는 정말 크고 다양합니다. 교수로 일하게 됨에 따라 생긴 업무의 변화가 매우 큰데, 전반적으로는 더 큰 책임감을 느끼며 보다 다양한 업무에 대한 경험을 쌓고 있습니다. 회사에서는 업무 영역이 세분화 되어있어 주어진 업무 수행에 집중할 수 있었던 반면, 학교에서는 연구뿐만 아니라 강의, 학생 지도, 과제 제안 및 수행 등 다양한 업무를 처리해야 하는데 이 차이를 크게 실감하고 있습니다. 그리고 회사의 경우 팀에 소속이 되어 팀원과 협업을 할 수 있는 조직을 구성하지만 학교의 경우에는 교수 1인이 연구실을 주도적으로 운영하는 점, 학생들이 연구실에 들어오고 졸업하는 과정 속에서 구성원의 변동이 더 크게 저에게 영향을 주는 점 등을 차이로 느낍니다. 임용된 지 얼마 지나지 않아 강의, 연구, 학생지도의 철학 등을 고민하는 단계인데, 책임감과 함께 즐거움, 보람을 느끼고 있습니다.


    4. 아직 임용되신지 얼마 안되어 실험실이 준비 단계인 거 같습니다. 혹시 실험실에서 어떤 학생들이 들어오면 좋을런지? 또한 실험실의 비젼을 말씀해 주신다면?

    실험실의 경우 이제 막 첫 발을 내디딘 단계인데, 같은 과 동료 교수인 송지환 교수님과 함께 실험실을 운영하고 있습니다. 공동 운영을 진행하게 된 이유는 크게 3가지입니다. 첫번째로는 다중 물리 및 다중 스케일 융합 해석 기술 등 공동 연구가 가능한 분야를 함께 발굴하며 연구의 시너지를 내기 위함입니다. 송지환 교수님은 다중 물리 및 다중 스케일 융합 해석 기술을 바탕으로 다양한 기계, 에너지 및 나노-바이오 시스템의 설계 연구를 수행하고 있습니다. 유사한 방법론을 가지고 있지만 서로 다른 연구 경험과 배경을 가진 교수들이 다양한 분야의 연구를 공동으로 진행하며 연구 기회를 확대하고 연구의 질을 높이고자 합니다.

    두번째로는 실험실 학생들에게 더 다양한 기회를 제공하기 위함입니다. 2명의 교수가 실험실을 함께 운영함으로써 학생들에게 더욱 다양한 분야의 연구 기회를 제공할 뿐 아니라, 연구실의 운영 규모를 키움으로써 학생들 간, 그리고 학생-교수 간의 연구 교류를 확대할 수 있습니다.

    마지막으로는 실험실을 더 효율적으로 운영하기 위함입니다. 실험실을 공동 운영함에 따라 필요한 장비를 더 효율적으로 사용하고, 필수적으로 반복되는 업무를 줄일 수 있습니다. 또한 학생들의 연구를 도울 수 있도록 여러 시스템 (프로그래밍을 이용한 자동화 시스템 등)을 구축하여 현재의 구성원뿐 아니라 미래의 학생들이 더 쉽게 연구에 매진할 수 있는 환경을 만들고자 노력하고 있습니다.



    4차 산업혁명의 도래와 함께, 일생 동안 배우고 새로 배움을 거듭하는 평생 학습의 시대가 올 것이라고 합니다. 낡은 지식은 새로운 지식으로 대체되고 있고 매순간 새로운 지식과 기술이 쏟아지고 있어 우리는 평생 배우며 살아야 합니다. 교수의 역할도 단순히 지식의 전수가 아니라 왜 학습과 연구가 필요한지 깨닫게 해주고 스스로 학습하는 방법을 코칭해주는 mentor로서의 역할이 더 커질 것입니다. 저는 이러한 점에서 배움에 대한 호기심과 열정이 큰 학생을 만나고 싶습니다. 교수가 주도하는 지식의 전달도 필요하지만 이와 더불어 함께 공부하고 발전하는 연구자 대 연구자로서의 관계를 형성하는 것을 희망합니다.


    5. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    배터리는 ‘제 2의 반도체’라고 불릴 만큼 대한민국 산업의 차세대 성장동력이 될 것으로 기대되고 있습니다. 또한 신재생 에너지를 사용함으로써 기존의 환경오염을 유발하는 내연기관을 대체할 수 있는 친환경 기술입니다. 아직 발전의 여지가 많으나, 제가 수행하는 배터리 연구가 한국 산업의 발전뿐 아니라 전지구적 환경과 인류에 도움이 되는 연구라는 믿음을 가지고 연구에 임하고 있습니다.


    6. 앞으로 진행할 연구 방향이나 목표가 있으시다면?

    배터리 소재 및 반응 메커니즘에 관련된 연구 경험 및 지식을 바탕으로 기계 공학에 기반한 차량 및 ESS 등 시스템 전반에 대한 연구를 지속할 것입니다. 차량의 경우 제품 수명 보증 기간이 보통 5~10년, ESS의 경우는 10~20년인데, 사용자들은 이러한 보증기간보다 오래 제품을 사용할 수 있습니다. 배터리의 퇴화가 진행되면 스웰링 및 lithium plating 등의 이슈가 발생하고 사용자의 안전에 영향을 줄 수 있습니다. 사용자 안전과 직결된 배터리 스웰링, 퇴화 및 안전성에 관한 연구를 멀티 스케일 등의 다양한 접근법을 통하여 지속적으로 수행할 계획입니다.

    또 회사에서의 배터리 모듈/팩 설계 등의 경험을 바탕으로 배터리 수명과 안전성이 고려된 차량 및 ESS 등의 시스템 설계 연구를 진행할 것입니다. 배터리와 사용자의 안전을 동시에 보호하기 위해 전기 자동차 배터리에 특화된 냉각 시스템 개발이 요구되는데, 이를 위해 전기 자동차와 ESS의 냉각 및 구조 최적화, 에너지 밀도 극대화, 차량 성능 최적화 관련 연구를 수행할 것입니다. 다양한 실험 및 해석에서 도출한 정보를 바탕으로 배터리 시스템의 설계를 제안하고, 나아가 수명을 예측하고 시스템을 효율적으로 컨트롤 할 수 있는 모델링 또는 알고리즘을 개발하고 싶습니다.


    * 이윤구 교수의 (최근) 대표 논문

    Y.K. Lee, J. Park, W. Lu, A Comprehensive Experimental and Modeling Study on Dissolution in Li-Ion Batteries, J. Electrochem. Soc. 166 (2019) A1340.

    Y.K. Lee, J. Park, W. Lu, A Comprehensive Study of Manganese Deposition and Side Reactions in Li-Ion Battery Electrodes, Journal of The Electrochemical Society. 164 (2017) A2812–A2822.

    Y.K. Lee, J. Park, W. Lu, Electronic and Bonding Properties of LiMn2O4 Spinel with Different Surface Orientations and Doping Elements and Their Effects on Manganese Dissolution, Journal of The Electrochemical Society. 163 (2016) A1359–A1368.

    Y.K. Lee, The effect of active material, conductive additives, and binder in a cathode composite electrode on battery performance, Energies 12 (2019), 658

    X. Lin, J. Park, L. Liu, Y. Lee, A.M. Sastry, W. Lu, A Comprehensive Capacity Fade Model and Analysis for Li-Ion Batteries, J. Electrochem. Soc. 160 (2013) A1701–A1710.

     

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