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산화물계 고체전해질 난제 20년 만에 해결..."생산비용 10분의 1로 줄여"

화재와 폭발 위험이 있는 리튬이온배터리를 대체할 전고체전지 핵심 소재가 개발됐다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 첨단소재측정그룹 백승욱 책임연구원 연구팀이 산화물계 고체전해질막 생산비용을 기존대비 10분의 1로 낮출 수 있는 고초고밀도 대면적 고체전해질막을 개발했다고 7일 밝혔다. 백승욱 책임연구원은 “가넷계 고체전해질 연구 분야에서 20년 넘게 해결하지 못했던 소재와 제조 공정 난제를 완전히 해결한 것”이라며 “생산 비용을 획기적으로 낮춘 만큼 ESS와 전기차 시장 기술 혁신이 가능할 것"으로 내다봤다. 전고체전지는 황화물계와 산화물계로 나뉜다. 황화물계는 삼성SDI가 오는 2027년께 상용화를 앞둔 분야로, 난이도가 산화물계에 비해 상대적으로 낮고, 양산이 용이하다. 특히, 기존 2차전지 공정을 그대로 사용 가능한 장점이 있다. 반면 황화수소 가스 발생 위험이 있다. 백 책임연구원은 "전고체전지는 궁극적으로 산화물계로 갈 것으로 보나, 기술적인 진전이 거의 없는 편이다. 그런데 이걸 우리가 한 것"이라며 "소재관점에서 일단 기본 문제를 해결했고, 셀을 만드는 후단은 올해 개발할 것으로 예상한다"고 말했다. 백 책임은 또 산화물계 전고체전지 상용화와 관련 "생산기술이 표준화되어 있지 않아 상용화까지는 5~10년 정도 걸릴 것"으로 예상했다. 전고체전지가 주목받는 이유는 액체 전해질 대신 불이 붙지 않는 고체전해질을 쓰기 때문이다. 산화물계 전고체전지는 에너지 밀도가 높고, 황화물계와 달리 독성 가스 유출로 인한 위험성도 없다. 주로 가넷계 고체전해질을 소재로 활용한다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등에 널리 쓰이는 리튬이온 이차전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재와 폭발에 취약하다. 한 번 불이 붙으면 진압도 어렵다. 지난해 국가정보자원관리원 화재 원인도 리튬이온배터리 문제였다. 최근엔 리튬이온을 쓰는 전기자동차 배터리 폭발 사고도 잇따른다. 그러나 가넷계 고체전해질은 소재 특성상 고성능 전해질막을 만들기 위해서는 1000 °C 이상 초고온에서 분말을 압착하는 소결과정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 또 소결과정에서 고체전해질막 핵심 성분인 리튬 원소가 휘발되기 때문에 전해질막 구조적 안정성이 떨어져 대면적 제조가 어렵고 화학 조성 변화로 이온전도도, 계면 저항 등 품질 또한 크게 저하된다. 기존에는 이 문제 해결을 위해 모분말(Mother-Powder)이라는 리튬전해질 소재로 전해질막을 두껍게 덮어 보호하는 방식을 사용했다. 하지만 이 방식은 소결 후 일회성으로 버려지는 모분말의 양이 제조하는 전해질막보다 10배 이상 많아 생산 단가가 높고 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 이에 새로운 소재 제조 기술을 새로 개발했다. 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조 기술을 확보한 것. 표면에 형성된 코팅층은 소결 과정에서 리튬 원소를 공급하는 동시에 리튬이 휘발하지 않도록 보호하고, 입자 간 결합력을 높여주는 납땜(Soldering) 효과를 내기 때문에 전해질막 밀도를 극대화할 수 있다. 연구팀은 실제 이번 기술을 적용해 고가 모분말을 사용하지 않으면서도 세계 최고 수준인 98.2% 이상 밀도를 달성했다. 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상된 고강도 고체전해질 막을 제조했다. 또한 해당 고체전해질 막 전기전도도를 20배 이상 감소시켜 전지 내부 전류 손실 위험을 크게 낮췄다. 연구진은 실험실 소형 펠릿 수준을 넘어 기존대비 10배 이상 큰 16 cm2 규모 대면적 고체전해질 막을 수율 99.9%로 제조하는 데에도 성공했다. 첨단소재측정그룹 김화정 박사후연구원은 “현재 우리나라는 직경 1 cm 크기에 80만원 이상인 가넷계 고체전해질 펠릿을 전량 수입하고 있는 상황”이라며 “이번 기술 개발은 고부가가치의 차세대 배터리 소재의 국산화를 여는 계기가 될 것”이라고 밝혔다. 고려대학교 신소재공학과 박혁준 교수팀과 협업한 이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 나노 및 소재 기술개발 사업의 지원을 받았다. 성과는 국제학술지(Materials Today, IF: 22.0, JCR: 3.5%) 1월호에 게재됐다.

2026.01.07 15:35박희범 기자

삼성전자, 네이처서 '초전력 낸드 기술 원리 규명' 인정 받아

삼성전자 연구진이 강유전체와 산화물 반도체를 결합한 낸드플래시 구조를 통해 기존 대비 전력 소모를 최대 96% 절감할 수 있는 가능성을 확인했다. 27일 삼성전자 반도체 뉴스룸에 따르면 삼성전자 연구진은 '저전력 낸드플래시 메모리용 강유전체 트랜지스터'라는 제목의 논문을 세계적 학술지 네이처에 게재했다. 해당 논문은 SAIT(삼성종합기술원)와 반도체연구소 소속 연구진 34명이 공동 저자로 참여한 순수 사내 연구 개발 성과다. 약점이 강점으로...산화물 반도체의 숨겨진 구조에 주목 기존 낸드플래시는 셀에 전자를 주입하는 방식으로 데이터를 저장한다. 저장 용량을 늘리려면 셀의 개수, 즉 적층 단수를 늘리는 방식이 필수적이다. 그러나 직렬로 연결된 셀들을 순차적으로 거쳐 신호가 전달되는 낸드플래시의 구조적 특징 때문에 적층이 높아질수록 읽기·쓰기 전력 소모도 함께 증가하는 한계가 있었다. 그동안 강유전체 기반 차세대 낸드플래시에 대한 연구가 수차례 제안되었지만, 용량 증가와 전력 효율 저하의 상충관계는 여전히 해결되지 못한 과제로 남아 있었다. 삼성전자 SAIT 연구진은 이 문제의 실마리를 산화물 반도체의 고유 특성에서 찾았다. 일반적으로 문턱 전압 제어의 한계로 고성능 소자에서는 약점으로 여겨졌던 이 특성이, 강유전체 기반 낸드플래시 구조에서는 오히려 기존 대비 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있는 요소로 작용한 것이다. 연구진은 산화물 반도체의 고유 특성을 강유전체 기반 낸드플래시와 융합해 기존 대비 셀 스트링(Cell String) 동작에서 전력 소모를 최대 96% 절감할 수 있는 핵심 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 현존 최고 수준인 셀당 5비트(bit)의 고용량을 확보하면서 전력 소모를 기존 대비 낮출 수 있는 가능성을 검증한 셈이다. 데이터센터부터 모바일까지 확장되는 초저전력 스토리지의 미래 해당 기술이 상용화되면 대규모 AI 데이터센터부터 모바일·엣지 AI 시스템까지 다양한 분야에서 전력 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 전력 소모가 감소하면 데이터센터 운영 비용 절감에 기여할 수 있으며, 모바일 기기에서는 배터리 사용 시간을 늘리는 효과를 기대할 수 있다. 이번 연구의 제1저자인 삼성전자 SAIT 유시정 연구원은 “초저전력 낸드플래시의 구현 가능성을 확인하게 되어 뿌듯하다”라며, “AI 생태계에서 스토리지의 역할이 더욱 커지고 있는데, 향후 제품 상용화를 목표로 후속 연구를 추진할 것”이라고 말했다.

2025.11.27 10:25전화평 기자

동성케미컬, 여수 유기과산화물 증설 라인 본격 가동

태양광·자동차·전선 피복 등 고부가가치 산업 수요 증가에 대응하기 위해 동성케미컬이 여수공장 유기과산화물 설비를 확대 가동한다. 소재 과학 솔루션 기업 동성케미컬은 전남 여수공장에 유기과산화물 생산 설비 증설을 완료하고 본격 가동에 돌입했다고 30일 밝혔다. 이번 증설로 동성케미컬은 연간 4천톤 이상 유기과산화물 생산능력을 추가 확보하게 됐다. 동성케미컬은 안정적인 유기과산화물 생산 역량을 기반으로 제품 포트폴리오를 다각화하고 국내외 시장 점유율을 확대해 정밀화학 사업 경쟁력을 강화할 방침이다. 특히 산계 공정과 연계한 과산화물 개발을 통해 신규 고부가 폴리머 시장 개척에 나선다. 그동안 수입에 의존하던 파우더 타입 제품 국산화에도 역량을 집중할 계획이다. 동성케미컬은 앞서 2023년 지속가능한 사업 체계 구축을 위해 탄소 배출이 많고 수익성이 낮은 석유화학 부문을 축소하고, 성장성이 높은 정밀화학 부문에 투자하기로 했다. 이에 따라 여수공장 내 석유화학 설비의 70% 이상을 철거하고, 약 180억원을 투입해 유기과산화물 생산 설비 증설 작업을 진행했다. 유기과산화물은 LDPE(저밀도 폴리에틸렌), PVC(폴리염화비닐), EVA(에틸렌비닐아세테이트) 등 폴리머의 개시제, 가교제로 사용되는 핵심 소재다. 태양광, 자동차, 전선피복 등 고부가가치 산업에 폭넓게 적용되며 관련 산업의 성장과 함께 글로벌 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이만우 동성케미컬 대표는 “이번 증설로 국내외에서 늘어나는 유기과산화물 수요에 적극 대응하고 신규 시장 개척에도 속도를 낼 수 있게 됐다”며 “정밀화학 사업을 친환경 고부가가치 사업으로 성장시켜 국내를 넘어 글로벌 시장에서의 입지를 더욱 공고히 하겠다”고 밝혔다.

2025.09.30 09:24류은주 기자

수소차 연료비 kg당(100km) 3천원 시대 오나…케이세라셀·기계연 등 기술 검증 끝내

수소차 연료 가격을 현행 대비 3분의 1수준으로 낮출 수 있는 파격적인 기술이 개발됐다. 일부 기업은 이례적으로 연구비 외 장비 제작 비용까지 부담한 것으로 확인됐다. 한국기계연구원은 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실 김영상 책임연구원 연구팀 컨소시엄이(주관기관 : 케이세라셀) 국내 최초로 20kW급 연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템 설계-운전-평가 전주기 기술을 확보, 검증까지 완료했다고 29일 밝혔다. 수소차 넥쏘에 들어가는 수소 연료비의 경우 kg당 단가가 현재 기준 대략 1만원 선이다. 연비는 1kg에 100km정도 달린다. 김영상 책임연구원은 "당장 상용화하더라도 최소한 기술적으로는 아무 문제가 없다"며 "제작과정에서 과제비가 부족해, 설계 제작을 담당했던 기업 푸른기술에너지가 수 천 만원의 추가 제작비까지 부담하며 만들었다"고 말했다. 그러나 기술력이 문제 없더라도, 상용화를 위해서는 기술적인 문제 외에도, 수요기업 발굴과 마케팅 등 여러가지 풀어야할 숙제가 있다. 컨소시엄은 ▲차세대 고온 수전해 셀 기술(케이세라셀, 전남대, 전북대) ▲고성능 고온 수전해 스택 기술(한국에너지기술연구원, 포스코홀딩스) ▲고효율 고온 수전해 시스템 기술(기계연, 지필로스, BHI, 푸른기술에너지)로 구성됐다. 연구팀은 시스템 전기효율을 83%까지 끌어 올렸다. 수소 생산량은 시간당 6Nm³/h다. 이는 0℃, 1기압 상태에서 시간당 6m³의 수소 생산(0.54kg)을 의미한다. 김영상 책임연구원은 "기존 알칼라인 수전해나 PEM(양성자교환막) 수전해 같은 저온 수전해 기술 대비, 동일한 양의 수소를 생산하기 위해 필요한 전력 소비량을 약 15% 절감할 수 있다. 연구팀은 또 3천 시간 이상 장기 운전까지 성공했다. 김영상 책임연구원은 "궁극적으로 수소 생산 비용을 kg당 3천 원 수준으로 낮출 수 있는 기술적 기반 확보라고 봐달라"고 언급했다. 기계연은 향후 전기효율 85% 이상의 초고효율 고온 수전해 시스템 설계 기술과 AI 기반 고온 수전해 스택 및 시스템 상태 진단 및 수명예측 기술 등을 추가 개발할 계획이다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP) 신재생에너지핵심기술개발사업 '대면적 고효율 고체산화물 수전해(SOEC) 평판형 셀, 20kW급 스택 모듈 및 시스템 개발' 과제를 통해 수행됐다.

2025.09.29 11:05박희범 기자

전기안전공사, 두산퓨얼셀과 연료전지 안전 업무협약

한국전기안전공사(대표 남화영)는 두산퓨얼셀과 지난 12일 전북 군산시 두산퓨얼셀 공장에서 '수소경제 활성화 및 연료전지 안전관리 강화를 위한 업무협약'을 맺었다고 밝혔다. 전기안전공사와 두산퓨얼셀은 협약에 따라 연료전지 전 주기 안전관리 강화를 위해 교류와 협력을 이어갈 계획이다. 또 신기술·선진기술의 국내 정착을 위한 검사 기준을 개발하고, 안전 관리 교육 등도 강화한다. 전기안전공사는 전기안전관리법 시행규칙 제정 이후, 연료전지 제품검사를 시행하고 있다. 두산퓨얼셀은 300㎾급 고체산화물연료전지(SOFC)를 국내 처음으로 국산화에 성공했다. 두 기관은 업무협약에 따라 연료전지 수소 발전량 목표치 확대 등 정부 정책의 원활한 이행과 제품 검사 시행에 따른 전주기 안전관리 강화 등의 효과가 있을 것으로 기대했다. 김성주 전기안전공사 기술이사는 “꾸준한 교류를 통해 두 기관이 함께 발전하는 동반자가 될 것을 희망한다”고 말했다.

2025.05.13 11:16주문정 기자

남부발전, 함안 사내산단에 19.8MW 연료전지 준공

남부발전이 함안군 사내산단에 19.8MW 규모 고체산화물 방식(SOFC) 연료전지를 준공하고 본격 운전에 돌입했다. 한국남부발전(대표 김준동)은 16일 함안 사내산단 연료전지 발전소 현장에서 김준동 사장을 비롯해 조근제 함안군수, 이만호 군의회의장, 안상유 산업건설국장 등 함안군 주요 내빈과 주주사인 센트럴이엔지 CEO, 경남에너지 CEO, SK에코플랜트 에너지사업부문 대표 등 사업관계자 50여명이 참석한 가운데 함안 사내산단 연료전지 준공식을 개최했다고 밝혔다. 함안 사내산단 연료전지는 천년 아라가야의 숨결을 간직한 함안에서 지역주민·지자체와 함께한 사업으로 지난해 3월 착공해 8월 주기기 설치, 12월 시운전을 거쳐 지난 2월 21일 전체 호기 사용전 검사를 완료하고 상업운전을 시작했다. 수소 연료전지는 일반적인 발전소와 달리 고온 연소과정 없이 전기를 생산하기 때문에 대기오염물질인 질소산화물과 황산화물의 배출량이 적고 이산화탄소(CO2) 배출량이 석탄발전소의 41% 수준이다. 또 함안 사내산단 연료전지는 연간 약 163GWh 전력을 생산해 함안군 전체 산업용 전력소비량의 66%를 책임지는 등 지역 에너지 자립률 제고에도 기여할 전망이다. 김준동 남부발전 사장은 “축하하며 남부발전의 축적된 발전소 운영 노하우를 살려 365일 24시간 깨끗하고 안전하게 전력을 지역 내 공급할 수 있도록 적극 노력하겠다”며 “'군민과 함께하는 행복도시'라는 함안군 슬로건처럼 지역과 상생 발전하는 발전소가 될 수 있도록 지원을 아끼지 않겠다“고 밝혔다.

2025.04.16 16:57주문정 기자

SK온 '전고체 배터리' 연구 성과 2건 국제 학술지 게재

SK온이 전고체 배터리 연구개발 성과를 잇따라 발표하고 기술력 강화에 박차를 가한다. 도전적인 기술 탐색과 다양한 파트너십을 통해 제조 공정 및 소재 혁신을 이끌고 차세대 배터리 경쟁력을 키운다는 전략이다. SK온은 국내 유수 대학·기관과 함께 진행한 전고체 배터리 연구개발과제 결과물이 논문으로 작성돼 최근 국제 학술지에 연이어 게재됐다고 13일 밝혔다. 일부 연구 결과에 대해서는 국내외 특허 출원도 완료했다. SK온이 김진호 한국세라믹기술원 박사 연구팀과 함께 진행한 연구는 초고속 광소결 기술을 적용한 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리 제조 공정 고도화가 핵심이다. 인쇄 회로 기판 공정에 주로 활용되는 광소결 기술을 배터리 제조에 접목시킨 획기적인 연구라는 평이다. 해당 연구를 다룬 논문은 에너지·화학 분야 저명한 학술지인 'ACS 에너지 레터스'에 표지 논문으로 실렸다. 논문 저자 9명 중 6명이 SK온 구성원이다. 전고체 배터리는 현재 리튬이온 배터리에 적용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리로 이른바 '꿈의 배터리'로 불린다. 고체 전해질 종류는 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 나뉜다. 산화물계 전해질 소재는 리튬이온 이동 경로 및 기계적 강도 증가를 위해 일반적으로 1천도 이상의 고온 및 10시간 이상의 열처리 공정을 요구한다. 하지만 제조 원가 부담과 더불어 소재의 취성 파괴(재료가 파괴될 때 변형 없이 갑자기 부서지는 현상)와 같은 취약점이 대두되며 대(大)면적화가 과제로 여겨졌다. SK온은 빠른 속도와 저온 열처리가 특징인 광소결 기술을 해법으로 제시했다. 연구진은 조사된 빛 에너지의 손실을 최소화하는 유색 무기 안료를 발견해 산화물 전해질 소재에 적용시켰다. 이와 함께 선택적으로 수 초안에 열처리를 가능케 하는 초고속 광소결 기술을 활용, 최적의 균일성을 갖는 다공성 구조체를 만드는 데 성공했다. 더 나아가 연구진은 초고속 광소결 기술로 제조된 산화물 내부에 고분자 전해질을 포함하는 고분자-산화물 복합전해질을 성공적으로 구현했다. 실험 결과 이 전해질이 적용된 배터리는 우수한 수명 특성을 나타냈다. SK온은 망간리치(LMRO) 양극재의 황화물계 전고체 배터리 적용 가능성을 분석한 연구 결과도 공개했다. 서울대학교 이규태 교수 연구팀과 진행한 이 연구는 에너지 소재 분야 국제학술지인 '어드밴스드에너지머티리얼스'의 표지 논문으로 지난달 발간됐다. LMRO 활물질의 열화 메커니즘을 상세히 규명해 성능 위주로 다룬 기존 연구와 차별화했다. LMRO 양극재는 니켈, 코발트보다 저렴한 망간이 기반이 돼 원가적 이점이 크다. 다만 기존 리튬이온배터리에 적용시 액체 전해질 부반응로 인한 가스 발생, 전압 강하·용량 감소 등의 난제가 있어 업계는 전고체 배터리 적용 가능성에 대해 연구해왔다. SK온은 고온·고전압 조건 아래 충·방전 중 LMRO 활물질에서 발생한 산소(O₂)가 황화물계 고체전해질을 산화시켜 열화가 발생하는 현상을 여러 분석을 통해 규명했다. 이를 해결하기 위해 산소 발생을 저감하는 특수 코팅재를 적용해 배터리 수명을 개선하는 방법도 찾아냈다. 박기수 SK온 R&D 본부장은 “이번 성과는 SK온의 적극적 연구개발과 뛰어난 기술 역량이 학계·기관의 전문가들과 시너지를 만들어 이뤄낸 것”이라며 “SK온은 차세대 배터리 분야를 선도하기 위해 연구개발에 더욱 매진하겠다”고 말했다. SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. 각각 2027년, 2029년에는 상용화 시제품을 생산한다는 목표다. 대전 배터리연구원에 건설 중인 차세대 배터리 파일럿 플랜트는 올해 하반기 완공 예정이다.

2025.01.13 08:41김윤희 기자