한국일보

KERI 그래핀 기술, 국가연구개발 우수성과 100선 최우수 선정

입력: 2022.11.09 14:24

실리콘 및 구리 단점 그래핀으로 해결
미래 모빌리티 배터리 및 전장부품 활용
소재·부품의 일본 등 수입 의존 탈피 기대
연구원의 방사선 암 치료 기술도 선정

한국전기연구원(KERI) 전기재료연구본부의 '미래 모빌리티 배터리 및 전장부품용 금속·그래핀 복합전극 개발' 성과가 '2022년 국가연구개발 우수성과 100선'에 이름을 올렸다.

특히 100선 중에서도 12개 성과만 뽑히는 최우수(기계·소재 부문)로 선정됐다.

차세대 E-모빌리티 분야에서 크게 주목받는 이번 성과는 크게 '리튬이온전지용 고용량 실리콘·그래핀 복합 음극재 기술'과 '전장부품용 저가형 구리·그래핀 복합 잉크 기술'로 구성된다.

'고용량 실리콘·그래핀 복합 음극재 기술'은 친환경 전기차, 선박, 드론, 로봇 등의 핵심 부품인 리튬이온전지의 차세대 음극 소재인 '실리콘(Si)'의 단점을 그래핀 도입으로 보완하여 상용화 가능성을 크게 높인 성과다.

실리콘은 기존에 사용되던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 가지고 있지만, 충·방전 시 300% 수준의 부피팽창 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 KERI는 전도성이 매우 우수하고, 전기 화학적으로도 안정된 '그래핀'을 실리콘과 복합화해 이상적인 리튬이온전지용 고용량 음극재를 제조했다.

이미 연구팀은 10여 년 이상 연구를 통해 높은 결정성과 전기 전도성을 가지는 고품질의 그래핀을 제조하고, 이를 리튬이온전지 음극 제조 공정에 바로 적용 가능한 '고농도 페이스트 형태의 그래핀 수(水)계 분산 기술'을 보유하고 있다.

이 기술을 기반으로 '코어-쉘'(Core-Shell, 코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 방식) 구조의 복합 음극재를 대량으로 제조하는 데 성공했다. 재료도 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용하여 가격 경쟁력을 확보했다.

전문가들은 실리콘·그래핀 복합 음극재 기술을 전기차에 적용할 경우, 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 보고 있다. 해당 기술은 높은 기술력을 인정받아 지난해 전기·전자 소재·부품 전문기업인 ㈜HNS에 11억 원의 금액에 기술이전됐고, 현재 상용화를 준비하고 있다.

'저가형 구리·그래핀 복합 잉크 기술'은 전기가 통하는 잉크로, 각종 전기·전자기기의 부품 제조는 물론, 우리나라 소재·부품 산업 전 방위에 활용되는 필수 소재다. KERI 기술의 특징은 잉크 재료로 기존 은(Silver)의 10분의1 가격 수준인 구리(Copper)를 이용했다는 것이다.

구리는 은보다 녹는점이 높고, 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 쉽게 형성되어 전기가 흐르지 않는다는 치명적인 문제가 있었는데, 연구팀은 세계 최초로 자체 개발한 '액상합성법'을 통해 구리 표면에 그래핀을 효과적으로 합성해, 구리의 산화 방지는 물론, 잉크를 대량 생산할 수 있는 공정 기술을 확보했다.

구리·그래핀 복합 잉크 기술의 의의는 수입 대체다. 정밀 부품을 제조하기 위한 기존 고품질의 도전성 '은' 잉크는 일본 등 수입 의존도가 무려 95%에 달했는데, 이번 독자 개발을 통해 수입대체는 물론, 소재·부품의 자립화 기반을 구축할 수 있게 됐다. 관련 기술 역시 금속소재 및 잉크 제조 전문기업인 대성금속㈜에 5억 5,000만 원의 금액으로 기술이전이 됐고, 이미 양산화까지 이루어져 현재 디스플레이 및 모빌리티 전장 배선을 만드는데 구리·그래핀 잉크가 활용되고 있다.

연구 책임자인 이건웅 KERI 전기재료연구본부장은 "우리의 성과는 부가가치가 매우 큰 미래 모빌리티 분야에서 중요한 전기 신소재·부품의 기술 자립 실현은 물론, 품질과 신뢰성까지 확보하는 데 크게 기여할 것"이라며 "국가연구개발 우수성과 100선 선정은 그간의 노력과 기술의 가치를 인정받는 것이라 대단히 기쁘다"고 말했다.

KERI는 이번 국가연구개발 우수성과 100선에 '방사선 암 치료용 선형가속기 및 마그네트론 기술(연구 책임자 김정일 전자기파응용연구센터장)'도 이름을 올리며 의미를 더했다. 해당 기술은 진공 공간에서 발생하는 전자빔의 전기 에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환하고, 고에너지 방사선을 방사하여 암을 치료하는 의료 핵심기술이다. 그동안 전량 수입에 의존했던 방사선 암 치료기 기술의 국산화를 실현한 성과로 큰 주목을 받았다.

한편 국가연구개발 우수성과 100선은 국가 발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대해 국민의 이해와 관심을 제고하고, 과학기술인들의 자긍심을 고취하고자 2006년부터 매년 진행되어 왔다. 올해 선정된 성과는 과학기술정보통신부 장관의 인증서와 현판이 수여되고, 관련 규정에 따라 사업 및 기관 평가 등에서 가점을 받게 되며, 사례집으로도 발간되어 배포된다.

이동렬 기자 dylee@hankookilbo.com

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한국, '산유국' 꿈 현실되나

탄핵 정국 속 대왕고래 시추선, 이르면 16일 밤 바다로 간다

윤석열 대통령에 대한 탄핵소추안이 가결됐는데 동해 심해 가스전 시추 작업을 위해 투입된 첫 번째 시추선이 이르면 16일 밤쯤 바다로 떠난다. 시추 결과에 따라 사업의 운명이 갈릴 예정인데 윤 대통령이 여러 차례 강조했던 사업인 데다가 더불어민주당 중심으로 2025년도 예산이 대부분 삭감된 터라 불안감이 크다. 관계 부처는 어려운 상황이지만 주어진 조건 내에서 최선을 다하다는 각오다. 15일 산업통상자원부와 한국석유공사에 따르면 이른바 대왕고래 프로젝트 1차 시추에 투입되는 웨스트 카펠라호는 이르면 16일 밤~18일에 출항을 계획 중이다. 시추에 필요한 자재 선적, 출항 허가 등 사전 준비를 마치는 대로 시추선은 대왕고래 유망구조 내 지정 해역으로 이동한다. 구멍 뚫기 작업은 19, 20일쯤 시작될 것으로 보이며 해수면 아래 1㎞ 이상 깊이까지 파고들어가야 해 시료를 채취하는 데 두 달가량 걸릴 전망이다. 그러면 시료 분석 등을 통해 내년 상반기에는 중간 결과를 내놓는다는 게 산업부 구상이다. 배는 예정대로 떠나지만 어려운 숙제들이 많다. 우선 당장 예산이 없다. 국회 예산결산특별위원회 과정에서 관련 예산이 505억5,700만 원에서 497억 원으로 약 98%가 깎인 채 확정되면서 석유공사가 1,000억 원가량의 사업비를 스스로 마련해야 하는 기로에 놓였다. 박성택 산업부 1차관은 회사채 발행을 대안 중 하나로 언급하기도 했지만 석유공사 관계자는 "기존 예산, 내년도 다른 사업 예산 등을 조정해 자체 예산으로 해결해 나갈 예정"이라고 의지를 내비쳤다. 1차 시추 결과마저 부정적이면 추가 사업 추진 역시 쉽지 않을 수 있다. 윤 대통령이 시작부터 대국민 발표에 나서며 강조한 탓에 정권 대표 사업이라는 이미지가 강하고 야당의 시선도 탐탁지 않아서다. 또 투자자 유치에 영향을 미칠 수도 있다. 당초 정부는 약 20%의 성공률을 고려했을 때 5년 동안 다섯 번의 시추가 필요하다고 설명해왔다. 탄핵 여파를 걱정하는 것은 원전 산업계도 마찬가지다. 윤 대통령이 탈원전 폐기를 선언하며 원전 산업 부흥을 강조해왔기 때문이다. 신규 원전 3기, 소형모듈형원자로(SMR) 1기 증설 등 총 원전 4개를 짓겠다던 '11차 전력수급기본계획(전기본)'은 국회 보고 일정도 잡지 못하고 있다. 또 2025년 3월 본계약을 앞둔 체코 원전 수주 사업도 마음을 놓을 수 없다. 미국 에너지부의 원전 수출 통제 절차, 미국 원전 기업 웨스팅하우스와 한국수력원자력의 지식재산권 분쟁 등 해결할 문제들이 있어서다. 이에 한수원 관계자는 "계약 협상은 계획대로 진행 중"이라며 "정치적 문제가 영향을 미치지 않고 있다"고 선을 그었다. 산업부 내부에서는 중요성이 큰 사업들인 만큼 정세에 흔들리지 않고 추진해 나가야 한다는 분위기가 짙다. 한 산업부 고위 관계자는 "국가 경제 발전을 위해 이 사업을 진행해 나가야 할 의무가 있다"며 "이럴 때일수록 기존 사업을 해나가야 나라가 혼란스럽지 않다"고 강조했다. 그는 이어 "대왕고래 프로젝트는 예산을 두고 국회와 유의미한 협의를 못 해 아쉽지만 주어진 조건에서 최선을 다할 것"이라고 밝혔다. 익명을 요청한 산업부 관계자도 "에너지나 국내 산업계 지원 등은 나라의 기틀에 해당해 허술한 모습을 보이지 않을 것"이라고 덧붙였다.

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젤렌스키 "러시아 쿠르스크 작전에 북한군 상당수 투입"

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