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"피부에 슥 바르면 끝"…페인트형 생체 전극 나왔다

피부에 직접 바를 수 있으면서도 강한 접착력과 높은 통기성을 갖춘 새로운 전극이 개발됐다. 기존 의료용 전극보다 땀에 강하고 다양한 디자인도 가능해 장기 의료 모니터링과 웨어러블 기기의 정확도를 높일 기술로 주목받고 있다. IT매체 기즈모도 등 외신은 펜실베이니아 주립대, 매사추세츠공과대학(MIT), 중국 쑤저우 생체의학공학기술연구소 공동 연구진이 피부에 직접 도포할 수 있는 고분자 전극을 개발했다고 13일(현지시간) 보도했다. 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. 기존 접착식 전극 패드는 땀이나 마찰로 쉽게 떨어져 생체 신호 측정 정확도가 떨어지는 문제가 있다. 스마트워치 역시 금속 전극과 피부 접촉 면적이 제한돼 심박수나 칼로리 소모량 등 주요 생체 데이터를 정확하게 측정하는 데 한계가 있었다. 연구진이 개발한 전극은 피부에 페인트를 바르듯 직접 도포하는 방식으로, 근육 활동과 심박수, 뇌파 등을 안정적으로 측정할 수 있다. 실제 피실험자가 러닝머신에서 운동하는 동안 실시한 심전도(EKG) 실험에서는 땀을 흘리기 전후에도 측정값이 95.1%의 일관성을 유지한 것으로 나타났다. 높은 통기성과 뛰어난 신축성 연구를 이끈 펜실베이니아 주립대 후안위 청(Huanyu Cheng) 교수팀은 여러 복합 소재를 조합해 높은 유연성과 접착력을 갖춘 전극을 제작했다. 전기 전도성은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트))가 담당하며, 4-도데실벤젠설폰산(DBSA)은 전도성과 유연성을 동시에 높이는 역할을 한다. 여기에 물과 에탄올, 폴리비닐알코올(PVA)을 혼합해 최종 소재인 'WE-PPD(Water-Ethanol-PVA/PEDOT:PSS/DBSA)'를 완성했다. 연구진은 "장기간 피부에 부착되는 전극은 땀이 나더라도 접착력을 유지하면서 피부 자극을 최소화하기 위해 높은 수증기 투과성을 갖춰야 한다"고 설명했다. 실제로 통기성 시험 결과도 우수했다. 기존 의료용 필름인 테가덤과 비교했을 때 WE-PPD는 섭씨 22도에서는 약 5배, 섭씨 37도에서는 10배 이상 많은 수증기를 통과시키는 것으로 나타났다. 또, 다공성 은 섬유와 결합한 상태에서는 약 170%까지 늘어나도 손상되지 않을 만큼 뛰어난 신축성을 보였다. 어린이 의료부터 식물 센서까지 활용 기대 연구진은 이 기술이 장기간 생체 신호를 측정해야 하는 의료 분야에서 특히 유용할 것으로 기대했다. 영구적인 전극 타투나 인간-기계 인터페이스는 물론 식물의 생체 신호를 측정하는 농업용 센서에도 적용 가능성이 있다는 설명이다. 특히 전극을 만화 캐릭터 등 다양한 형태로 디자인할 수 있어 어린이 환자의 거부감을 줄이는 데 도움이 될 것으로 전망했다. 연구진은 "전극을 만화 패턴으로 제작하면 소아 환자의 불안감을 줄이고 전기생리학적(EP) 모니터링에 대한 수용성을 높일 수 있다"며 "개인 맞춤형 디자인은 신체적 편안함뿐 아니라 사회적 수용성 향상에도 도움이 된다"고 밝혔다. 안전성은 추가 검증 필요 다만 상용화까지는 해결해야 할 과제도 남아 있다. 피실험자가 전극을 24시간 착용한 결과 피부 부작용은 관찰되지 않았고 기본적인 독성 시험도 통과했지만, 연구진은 장기적인 안전성 검증이 추가로 필요하다고 강조했다. 특히 자기공명영상(MRI) 환경에서의 안전성이 중요한 과제로 꼽힌다. 초기 MRI 호환성 시험에서는 일부 긍정적인 결과가 나왔지만, 강한 전자기장 속에서 전극이 과열되거나 전자기적 상호작용을 일으킬 가능성은 아직 충분히 검증되지 않았다. 연구진은 "향후 다양한 MRI 작동 조건과 펄스 시퀀스에서 무선주파수(RF)에 의한 발열과 전자파 흡수율, 전자기 상호작용을 체계적으로 조사해야 한다"고 밝혔다. 이에 따라 피부에 직접 칠하는 전극 기술은 의료와 웨어러블 기기의 활용 가능성을 크게 넓힐 것으로 기대되지만, 안전성 검증을 거쳐 실제 제품으로 출시되기까지는 다소 시간이 필요할 것으로 보인다고 기즈모도는 전했다.

2026.07.15 16:25이정현 미디어연구소

KIST 망막대체 투명전극 개발…"10년내 인공눈 나올수도"

사람의 눈은 물체에서 반사된 빛을 망막에서 전기신호로 변환, 뇌가 이를 인식하는 과정을 거쳐 사물을 보기 때문에 망막이 손상되면 사물을 볼 수 없다. 그런데 국내 연구진이 이를 인공적으로 대체할 신기술 개발의 첫발을 내디뎠다. 한국과학기술연구원(KIST)은 뇌융합연구단 성혜정 선임연구원과 임매순 책임연구원 연구팀이 빛 자극으로 발생한 신경신호를 기록할 수 있는 초박막 투명 신경전극을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구팀은 망막 손상으로 시력을 잃은 환자들도 시각 정보를 처리하는 뇌의 시각중추는 정상이라는 점을 이 기술 개발의 핵심 근거로 제시했다. 이는 최근 시각복원 기술로 주목받는 광유전학 기술이지만, 여기엔 문제가 있다. 신경 신호를 측정할 때 기존 금속 전극은 빛 투과를 막거나, 통과시켜도 강한 전기 잡음이 발생하는 것. 연구팀은 이를 머리카락 두께의 15분의 1인 투명전극으로 해결했다. 기상 증착 공정(iCVD)으로 합성한 특수 고분자 코팅(pDMAMS) 위에 금 박막 10nm를 쌓아, 빛의 65% 이상을 통과시키면서도 전기 성능이 우수한 초박막 투명 전극을 개발했다. 고분자의 아민 작용기가 금 원자와 화학적으로 결합해 금이 뭉치지 않고 균일하게 펴지도록 유도하는 것이 핵심 원리다. 전극은 5μm 이하 두께로 뇌 표면에 밀착되며, 빛에 의한 전기 잡음을 기존 전극 대비 최대 74% 줄이고, 2만 번의 반복 변형 후에도 성능을 유지했다. 연구팀은 실명 마우스 뇌 표면에 이 전극을 올리고 파란빛 기반 광유전학 기술로 신경세포를 자극하자, 정상 시각 마우스의 뇌 신호와 78% 일치하는 인공시각 신경신호가 세계 최초로 생성됐다. 성혜정 선임연구원은 전화통화에서 "뇌의 시각 중추를 빛으로 자극해 '실제 보는 것'에 가까운 반응을 유도할 수 있음을 입증한 것"이라며 "빛 신호를 읽는 정도여서, 사람이 사물을 보는 것과 같은 수준은 결코 아니다"라고 설명했다. 상용화와 관련해서 성 선임은 "인공 눈이 5~10년이면 나올 것으로 예상은 하지만, 장담할 수는 없지 않느냐"며 "대면적 제작이 가능하고, 특허를 출원중이다. 손잡고 연구를 함께할 수요기업을 희망한다"고 덧붙였다. 성 선임은 또 "같은 원리를 청각·촉각 담당 뇌 부위에 적용하면 청각 장애 치료와 촉각 복원 기술로 확장될 수 있다"며 "뇌 신호를 읽고 자극을 스스로 조절하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)의 핵심 부품으로도 활용이 기대된다"고 부연설명했다. 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티어리얼스'(IF 19.0, JCR 상위 4.5%) 최신 호에 표지 논문으로 게재됐다.

2026.06.30 12:00박희범 기자

국내산 벤토나이트로 통풍 진단 바이오센서 개발…"감도 양호"

통풍이나 신장질환 진단에 쓰이는 요산을 정밀하게 측정할 수 있는 센서가 개발됐다. 이 센서 재료로는 국내산 광물 벤토나이트가 활용됐다. 한국지질자원연구원(KIGAM)은 김재환 포항지질자원실증연구센터 책임연구원이 김기경 캐나다 캘거리대학교 교수 연구팀과 공동으로 국내 동남권산 천연 점토광물 벤토나이트를 활용한 차세대 전기화학 바이오센서 개발에 성공했다고 16일 밝혔다. 벤토나이트는 점토광물로, 누수 방지용 차수재나 흡습제, 고양이 배변용 모래 등으로 많이 활용된다. 연구팀은 벤토나이트를 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)와 결합시키는 방법으로 나노복합체를 제작하고, 이를 에어브러시 스프레이 공정으로 전극에 균일하게 증착한 뒤 요산분해효소(Uricase)를 전극 표면에 고정화했다. 또 이 복합체에 코팅막을 입혀 센서화했다. 이렇게 개발한 센서는 요산 농도 검출 범위가 10~2,000μM)로 광범위하고, 인공 혈청 환경에서도 높은 정확도를 유지했다. 특히 생체오염에 따른 신호 감소율을 기존 대비 27.6%에서 10.0%로 크게 낮추고, 60일 이상 안정적인 성능을 확인했다. 연구성과는 바이오센서 분야 국제 학술지 '바이오센서스및 바이오일렉트로닉스'(IF 10.5, JCR 상위 2.7%)에 게재됐다. 김재환 책임연구원은 "감도가 5.3μM로, 이는 검출 수준이 상당히 양호한 편을 의미한다"고 설명했다. 김 책임은 또 "그간 바이오센서 분야에서 활용이 제한적이었던 국내산 천연 광물 벤토나이트가 고성능 전기화학 센서의 핵심 기능성 소재로 쓰일 수 있음을 처음으로 체계적으로 입증한 성과"라며 "향후 포도당, 콜레스테롤, 크레아티닌 등 다양한 질병 바이오마커로 검출 대상을 확장하고, 웨어러블 기기·스마트 헬스케어 플랫폼과의 연계를 통해 실용화 연구를 이어갈 계획"이라고 말했다.

2026.06.16 10:29박희범 기자

자동차연구원, JR에너지솔루션에 '차세대 배터리 전극 기술' 이전

한국자동차연구원(원장 진종욱)은 차세대 보급형 배터리 시장에서 주목받는 리튬망간인산철(LMFP) 과 나트륨 전지 전극 기술 2건을 배터리 전극 전문기업 JR에너지솔루션에 이전했다고 27일 밝혔다. 한자연과 JR에너지솔루션은 기술 이전을 계기로 해당 기술 상용화를 추진하고, 차세대 배터리 시장 선점과 산업 활성화를 위한 협력을 본격화할 계획이다. LMFP 배터리는 기존 리튬인산철(LFP) 배터리에 망간을 더해 에너지 밀도를 높인 차세대 배터리로 주목받고 있다. 다만, 충·방전 과정에서 망간이 용출돼 전해액을 고갈시키고 수명을 단축하는 문제가 있다. 한자연은 망간 양이온을 효과적으로 흡착할 수 있는 특수 수계 바인더를 적용한 기술을 개발했다. 이를 통해 고온 환경에서 망간 용출을 억제해 배터리 수명과 저장 성능을 기존 배터리 보다 15% 이상 개선했다. 나트륨 전지는 가격 경쟁력을 바탕으로 리튬의 대안으로 부상하고 있지만, 제조 과정에서 전체 셀 용량이 감소하는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 한자연은 양극층 상부에 별도 '희생양극 코팅층'을 형성하는 기술을 통해 이러한 문제를 해결했다. 해당 기술은 비가역 용량으로 인해 제한됐던 나트륨 전지 에너지 밀도를 20% 이상 향상해 상용화 가능성을 높였다. 한자연인 이전한 기술 2건은 기존 전극 제조 공정에 그대로 적용할 수 있어 공정 편의성이 높다. 추가 설비 투자나 비용 증가 없이도 배터리 특성 개선이 가능해 산업 현장 적용성을 높였다. 이번 성과는 한국연구재단의 '나노 및 소재기술개발사업' 지원을 받아 수행한 '다차원 물리·화학 구배 기술 기반 고에너지밀도 올리빈계 양극 소재-전극 개발' 과제를 통해 도출됐다. 진종욱 자동차연구원장은 “이번 기술 이전이 국내 중소·중견 배터리 기업의 사업화 역량 강화에 실질적인 도움이 되기를 기대한다”며 “한자연이 개발한 기술이 산업 현장에서 성공적으로 상용화되고, 나아가 국내 산업 생태계 강화와 글로벌 차세대 배터리 기술 경쟁력 확보로 이어질 수 있도록 지속적인 지원을 아끼지 않겠다”고 밝혔다.

2026.05.27 12:19주문정 기자

패치로 혈당 측정 때 불안정 문제 풀 실마리 찾아

국내 연구진이 패치로 혈당 측정시 발생하는 정확성 및 안정성 문제를 해결할 가능성이 제시됐다. POSTECH(포항공대)는 피부로부터 생체신호를 안정적으로 얻을 수 있는 '구조변환형 전극'을 개발했다고 17일 밝혔다. 연구결과는 생체재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 표지 논문으로 게재됐다. 연구는 기계공학과 임근배 교수와 이중호·윤가은 박사 연구팀이 박성민·김철홍 교수가 진행했다. 피부 표면에 붙이는 '표피형 전극'은 사용이 간편하지만, 땀이나 건조함, 움직임 등의 영향으로 불안정한 신호가 생긴다. 이번에 개발한 '진피형 바이오 전극'은 삽입 순간에는 바늘처럼 단단해 피부 각질층을 통과한다. 진피층에 도달하면 부드러운 구조로 변하는 '구조 변환형 전극'이다. 알루미늄이 항공기에서는 단단한 합금으로, 주방에서는 얇은 호일로 사용되는 것처럼 동일한 소재도 구조에 따라 전혀 다른 물성을 가질 수 있다는 원리에 착안헀다. 연구팀은 극유연성 생체 소재의 초소형 정밀 가공과 발포성 구조 변환 설계를 통해 이를 구현했다. 발포성 소재를 희생층으로 활용해 전극이 수 초 내 피부 각질층을 통과한 뒤 진피층에 안정적으로 자리잡도록 했다. 동물 모델과 인체 실험 결과 장기간 삽입 상태에서도 조직 손상이나 면역 반응이 거의 발생하지 않는다는 점을 확인했다. 땀이나 탈수 상태, 장시간 착용 조건에서도 신호 정확도가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다. 임근배 교수는 “의료 진단 기기뿐만 아니라, 생체 데이터를 정밀하게 수집해 AI와 결합하는 차세대 '피지컬 AI' 기술로도 확장될 수 있다”고 말했다.

2026.04.17 08:39박희범 기자

양초 파라핀으로 만든 '혁신 배터리' 3~5년 내 상용화 가능

국내 연구진이 양초 주성분인 파라핀으로 값싼 배터리 핵심소재 제조에 성공했다. 3~5년 내 파일럿 수준의 상용화 가능성도 제시됐다. DGIST는 김진수 에너지공학과 교수 연구팀이 파라핀 소재로 배터리 제조의 난제로 꼽히던 건식 전극 공정 한계를 극복하고, 가격은 획기적으로 낮추면서 환경 오염은 없앤 새로운 건식 전극 바인더 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 바인더는 배터리에서 활물질과 도전재 입자들을 서로 붙이고, 전극을 집전체(구리/알루미늄 포일)에 고정시키는 고분자 재료를 말한다. 이번 기술 개발 의미에 대해 김진수 교수는 "불소계 중심이던 건식 전극 기술 패러다임을 파라핀으로 전환했다는 점에서 의미가 크다"며 "기존 공정의 복잡성과 환경적 부담을 동시에 줄일 수 있다는 점에서 학문적 가치도 높다"고 평했다. 현재 전 세계 배터리 산업은 습식 전극 공정에서 건식으로 전환 중이다. 습식은 배터리 재료를 유기 용매에 섞어 슬러리 형태로 코팅한 뒤 거대한 오븐에서 건조한다. 이로 인해 높은 에너지 소비와 탄소배출, 고가 운영비가 발생한다. 또 용매 건조시 발생하는 소재의 불균일한 이동도 문제였다. 반면 건식은 배터리 소재를 입자 상태로 압착해 전극을 만들기 때문에, 습식 대비 공정 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있다. 테슬라는 올해 1월, 양극과 음극에 건식 공정을 적용한 4680 배터리셀을 양산한다고 발표했다. LG에너지솔루션도 2028년 건식 전극 기술 상용화 계획을 발표했다. 그러나 건식 전극에 주로 쓰이는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 비싸고, 과불소화합물(PFAS) 환경 규제 문제가 있는데다, 접착력이 낮아 별도 접착층 습식 코팅이 필요하다. 연구팀이 이 문제의 해결책을 실험실용 밀봉 필름인 파라필름 주성분에서 찾았다. 파라필름이 파라핀과 폴리에틸렌이라는 점에 착안, 새로운 배터리 건식 전극 바인더로 적용하는 데 성공한 것. 연구팀은 "파라필름은 60도 저온에서 활물질을 고정하며 집전체에 별도 습식 접착층 없이도 건식 전극 제조가 가능하다"며 "PTFE 바인더 비용 대비 23분의 1수준이면 제조한다. 지구온난화지수(GWP)도 PTFE가 1만 2,200인데 비해 이보다 현저히 낮은 2200분의 1 수준인 5.5"라고 설명했다. PTFE 1만 2,200은 온실가스 1만 2,200kg으로 보면 된다. GWP는 특정 기간 동안(주로 100년) 1kg의 온실가스가 이산화탄소 1kg과 동일한 양의 적외선을 흡수하는 정도(=1)를 비교한 값이다. 연구팀은 또 파라필름 바인더가 전극 내부에서 균일하게 분포, 이온 전달 특성이 우수하다는 점도 확인했다. 파라필름은 넓은 전압 환경에서도 산화되거나 환원되지 않는 안정성도 우수하게 나타냈다. 또한 리튬이온 배터리(LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂) 양극 시스템에서 1000회 이상 충방전 후에도 성능 저하가 없었다. 기판과 코팅층 사이 접착력을 높이기 위한 중간층인 프라이머 없이 무용매 공정으로 구현한 점도 연구팀은 장점으로 꼽았다. 연구팀은 3 cm × 4 cm 규모 파우치셀 제작과 트윈스크류 연속 압출공정을 적용, 파라필름 기반 건식 전극 기술의 상용성도 검증했다. 현재 원천기술 특허 권리를 확보, 관련 수요기업을 대상으로 기술이전을 추진할 예정이다. DGIST 김진수 교수는 “현재 연구단계에서 파라필름 기반 전극의 기계적 안정성, 전기화학적 안정성, 열안정성은 충분히 검증됐다"며 "다만 실제 양산 공정에서는 롤투롤 연속 제조 기술과의 호환성 검증, 대면적 전극의 균일성 확보와 같은 과제가 남아 있다"고 부연 설명했다. 김 교수는 또 "이 같은 과제가 해결된다면, 3~5년 이내에 파일럿 수준의 상용화 적용이 가능할 것"으로 전망했다. 연구는 김민경, 유태균, 장성빈 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

2026.03.24 15:29박희범 기자

"건식 전극 해결"…4680 배터리 확산 이번엔 진짜?

테슬라가 차세대 원통형 배터리인 '4680(지름 46mm 높이 80mm)' 기술 난제로 꼽혀온 건식 전극 공정을 도입해 배터리 채택을 확대한다고 발표하면서, 그 동안 미뤄져온 4680 배터리 확산이 본격화될지 주목된다. 최근 테슬라가 4680을 건식 전극 공정 기반으로 생산, 최고 인기 전기차 모델인 '모델Y' 일부 물량에 탑재하겠다고 밝히자 배터리 업계에선 다양한 전망이 오간다. 지난 2023년 당시 4680 배터리를 탑재한 모델Y 판매를 개시했지만, 약 5개월 만인 9월 판매를 중단했다. 약 2년 반 만에 판매 재개를 발표한 것이다. 4680 배터리는 기존 원통형 배터리 제품인 2170(지름 21mm, 길이 70mm) 대비 에너지 밀도를 10% 이상 높이고 에너지 용량을 5배, 출력은 6배 향상된 제품으로 고안됐다. 이 때문에 전기차 등 높은 에너지 밀도와 용량 등 특성이 요구되는 분야에서 차세대 배터리로 확산될 것이란 전망이 있어왔다. 실제 4680 배터리를 제안한 테슬라 외 타 OEM들도 4680 배터리 외 높이를 변형한 4695, 46120 배터리 등 탑재를 준비해왔다. 그러나 전기차 수요 정체가 장기화되고, 잠재력이 크게 평가된 북미 시장도 소비자 지원 정책이 축소되면서 여러 OEM이 '가성비' 모델 위주로 전기차 사업 전략을 변경했다. 고성능 전기차에 적합한 4680 배터리 채택도 함께 지연됐다. 이런 분위기가 올해 반전될 가능성이 제기된다. 테슬라도 그간 사이버트럭에만 4680을 탑재해왔다. 그러나 연간 판매량이 2만 여대로 저조해 배터리 수요를 본격적으로 이끌어내긴 어려웠다. 반면 모델Y는 미국에서만 지난해 35만 7천여대가 팔린 것으로 분석된다. 전기차는 아니지만 테슬라가 올해 1분기 양산을 앞둔 휴머노이드 로봇 '옵티머스' 3세대에도 탑재를 예고한 상황이다. 건식 전극 공정에 대한 긍정적 소식이 들려온 점도 이같은 전망에 힘을 보탠다. 건식 전극은 4680 배터리 원가를 약 30% 절감해 시장경쟁력을 키울 수 있는 기술로 주목받아왔다. 그러나 그 동안 기술적 난이도가 높아 테슬라도 건식 전극 공정 도입에 수 년간 난항을 겪어왔다. 이런 변화 속에 배터리 업계에서도 4680 배터리 공급 확대 기대감이 조성되고 있다. LG에너지솔루션은 작년 4분기 오창 공장에서 지름 46mm 원통형 배터리(46시리즈) 양산을 시작했고, 1분기부터는 공급 물량이 점진적으로 늘어날 것이라며 테슬라의 판매 호조를 근거로 들었다. 미국 애리조나 공장과 폴란드 공장에서 46시리즈 생산을 염두하고 있다. 양극재 기업인 엘앤에프도 지난해 4분기 실적발표 컨퍼런스콜에서 올해 46시리즈 관련 제품 공급이 확대될 것으로 예상했다. 다만 테슬라의 4680 배터리 수요가 본격적으로 확대될 것으로 기대하긴 시기상조라는 의견도 있다. 현재로선 테슬라가 가격 경쟁력을 갖춘 중국산 배터리 채택을 우선시하고 있어서다. 전기차 전문 매체 일렉트렉은 테슬라가 4680 배터리의 경쟁력이 아닌, 무역 장벽과 관세 위험 등 공급망 문제 해결을 위해 모델Y 탑재 결정을 내린 것이라며 이같이 전망했다. 현재 모델Y는 트림에 따라 CATL, LG에너지솔루션, 파나소닉 등이 생산한 배터리가 탑재되고 있다. 그러나 지난해 초 도널드 트럼프 미국 대통령 취임 후 통상 불확실성이 지속되는 점을 고려해 이 중 일부를 테슬라가 미국 텍사스주 오스틴 공장에서 자체 생산한 배터리로 대체한다고 밝혔다. 일렉트렉은 "국내 배터리 생산을 예비책으로 활용하려는 것"이라며 "5년 전 발표한 혁신적 배터리셀은 획기적 비용 절감에서 관세 헷징 차원으로 재조명되고 있다"고 지적했다.

2026.02.16 08:11김윤희 기자

태양광 수소 생산 성능 기존 대비 1.6배 개선…상용화 위한 채산성 "잡힐 듯 말듯"

태양광 수소 생산 성능을 기존 대비 1.6배 개선할 수 있는 초박막 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 태양광 수소 생산이 가능한 채산성 확보는 아니어도, 기존대비 2~3배 정도 성능을 개선했다. UNIST는 신소재공학과 조한희 교수 연구팀이 태양광 수소 생산 효율을 획기적으로 개선한 나프탈이미드계 자기조립분자 박막을 개발했다고 8일 밝혔다. 태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 광전극(photoanode) 내부의 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 생기는데, 이 전자가 기판으로 이동해 물이 수소와 산소로 분해되는 화학반응을 일으킨다. 이번에 개발한 자가조립박막은 유기반도체와 기판 사이에서 전자를 전달해 주는 역할을 한다. 기존에는 이 역할을 두께가 두껍고 전하 전달 성능이 떨어지는 금속산화물층이 맡아왔다. 연구팀은 이 물질을 광전극에 적용했을 때, 7.97 mA/cm² 전류 밀도를 기록했다고 밝혔다. 이는 벌크 유기반도체(BHJ)를 기반으로 하는 광전극 중에서 가장 뛰어난 전류 밀도 성능이다. 광전극의 전류 밀도 성능이 뛰어날수록 수소가 반대쪽 전극에서 빠르게 생산된다. 또 이 물질은 금속산화물층과 달리 분자끼리 알아서 조립돼 박막을 형성하기 때문에 제작 공정 비용도 줄일 수 있다. 조한희 교수는 "기존 유기물 반도체 대비 160%정도 성능 개선이 이루어졌다, 기존에는 유기물 반도체 전류밀도가 2~3mA/cm² 정도였다"며 "상용화를 위해선 전류 밀도가 15.0mA/cm² 정도 나와야 하는데, 추가 연구가 이루어지면 이 지점에 도달하는 기간이 크게 단축될 것"으로 예측했다. 현재 연구팀은 이 기술을 특허 출원한 상태다. 연구팀은 박막을 이루는 분자를 '푸쉬-풀(push–pull) 구조'로 설계해 이 같은 물질을 개발했다. 푸쉬-풀은 한 분자 안에 전자를 밀어내는 부분과 당기는 부분이 공존하는 구조로, 이 구조의 분자들은 힘을 합쳐 강한 전기장을 형성할 수 있다. 형성된 전기장은 에너지 장벽을 낮추는 역할을 해, 전자가 자기조립분자박막을 뚫고 이동하는 '전자 터널링' 현상이 활성화되는 원리다. 조한희 교수는 “유기 반도체 기반 광전극은 가격이 저렴하고 대면적 제조가 가능하다는 장점이 있다”며 “이번에 개발된 자기조립분자막은 이러한 유기 광전극 기반 태양광 수소 생산 기술의 상용화 가능성을 크게 높인 물질이다. 전자 추출이 중요한 태양광전지, 발광다이오드, 광학 센서 소자 드에도 폭넓게 적용 가능하다"고 설명했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지(ACS Energy Letters)에 온라인(11월 11일)으로 공개됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 기초연구실지원사업, 우수신진연구사업, 이노코어 사업(지능형 수소기술 혁신단, AI-우주 태양광 사업단), 스위스 ETH 리딩 하우스 아시아(Leading House Asia)의 지원을 받았다.

2025.12.08 09:12박희범 기자

SK온, '배터리연구원→미래기술원' 변경…"반고체 시제품 내년 말 생산"

SK온은 지난 1일 SK온 배터리연구원의 명칭을 SK온 미래기술원으로 변경했다고 밝혔다. 박기수 초대 SK온 미래기술원장(구 R&D 본부장)은 “글로벌 기술 경쟁이 치열해지고 시장 환경 변화도 빨라지고 있다”며 “선명한 R&D 전략을 바탕으로 SK온을 기술 주도 기업으로 성장시키겠다”고 포부를 밝혔다. 이를 위해 미래기술원은 ▲전고체 배터리 ▲리튬인산철(LFP) 배터리 ▲각형 배터리 등 케미스트리와 폼팩터를 다변화하며 전략적 과제들을 수행한다. 특히 미래 기술의 선택과 집중 차원에서 단기 전략 과제로 가격 경쟁력과 제품 안전성 확보를 위한 기술 개발에 더욱 속도를 낼 예정이다. 원가 절감 측면에선 셀투팩과 건식 전극 공정 기술 상용화를 추진한다. 안전 관련해선 반고체 배터리와 열 폭주 방지 솔루션 개발에 집중한다. 셀투팩은 배터리셀을 팩에 바로 조립하는 방식이다. 모듈 단계가 생략된 기술로 원가 절감 효과가 크다. 미래기술원은 연내 LFP와 미드니켈 배터리 셀투팩 기술 개발을 완료한다는 목표다. 건식 전극 공정은 습식 전극 공정과 달리 용매 건조 과정이 불필요해 설비 투자비와 운영 비용을 모두 절감할 수 있다. 미래기술원은 연말까지 건식 전극 공정 파일럿 플랜트를 구축해 상품성 확보에 나설 계획이다. 반고체 배터리는 겔 형태의 고분자-산화물 복합계 전해질을 사용해 액체 전해질 배터리 대비 안전성이 높다. 미래기술원에 구축된 반고체 배터리 파일럿 라인에서 내년 말까지 시제품을 생산하는 것이 목표다. 열 폭주 방지 솔루션은 액침 냉각 기술을 활용해 팩 내부 온도 상승을 효과적으로 억제하는 것을 목표로 개발 중이다. SK온은 지난해 선행 기술 검증을 완료했고 올해 완성차 업체들과 협력해 개발 중이다. 오는 11월 SK엔무브와의 합병을 계기로 양사 기술 역량이 결집되며 액침 냉각 기술 개발에 한층 더 속도가 붙을 것으로 전망했다.

2025.08.03 09:42김윤희 기자

건국대, 이산화탄소를 고효율 액체 연료로 전환하는 기술 개발

건국대학교 박기태 교수(화학공학부) 연구팀이 고려대학교·KAIST 연구진과 공동으로 이산화탄소(CO₂)를 고효율 액체 연료로 전환하는 차세대 전기화학 시스템을 개발했다고 1일 밝혔다. 개발 성과는 화학 분야 세계 최고 권위 학술지 중 하나인 Angewandte Chemie(IF=16.9) 2025년 7월호 표지 논문으로 선정됐다. 연구팀은 전기화학적 CO₂ 전환 기술의 핵심 난제 중 하나인 'CO₂ 공급 제한' 문제를 생물촉매 기반 전략으로 해결했다. 탄산무수화효소(bCA·bovine carbonic anhydrase)를 탄소나노튜브(CNT)에 고정하면 수백일 이상 효소 활성이 유지되는데, 이를 비스무트(Bi) 금속 촉매와 결합해 금속–효소 하이브리드 전극(M–bCA cathode)을 제작했다. 이 시스템은 촉매 표면에 형성된 중탄산염으로부터 CO₂를 빠르게 재생해 촉매에 공급함으로써 기존 전극보다 반응 속도를 최대 3.3배까지 높였다. 또 별도 정제 과정 없이도 15% 이상의 고농도 개미산(formic acid)을 전해질과 섞이지 않은 형태로 직접 생산하는 데 성공했다. 개미산은 산업적 용도 외에도 수소 저장 매체와 탄소 중립적인 액체 연료로도 사용될 수 있다. 연구팀은 “이번 기술은 고체전해질 기반의 새로운 전해 시스템을 적용해, 고순도 액체 연료를 직접 제조할 수 있는 기반 기술로 평가받고 있다”며 “탄소 자원화 기술의 산업적 실현을 앞당길 수 있는 전환점”이 될 것으로 기대했다. 박기태 교수는 “효소 기반 CO₂ 공급 메커니즘을 전기화학 시스템에 성공적으로 통합함으로써, 탄소중립 사회를 위한 실용적 탄소 자원화 기술 상용화의 토대를 마련했다”고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 국가연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 건국대 박기태 교수와 강여민·도영진 박사과정생, 고려대 김중배 교수와 김윤재 박사과정생, KAIST 이진우 교수가 참여했다.

2025.08.01 15:41주문정 기자

캐즘에도 배터리 생산 혁신 '건식 전극' 기술 확보전 가열

건식 전극이 생산 효율을 극대화할 기술로 주목받으면서 주요 기업들이 투자를 확대하면서 점차 상용화 시기가 앞당겨지고 있다는 분석이 나왔다. SNE리서치는 이같은 내용을 담은 '2025 건식 전극 특허 전략 리포트'를 발간했다고 23일 밝혔다. 보고서에 따르면 테슬라는 지난 2019년 맥스웰을 인수하면서 건식 전극 기술을 선도적으로 확보했으며, 지난해 시험 생산을 거쳐 이르면 올해 또는 내년 양산을 본격화할 전망이다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 3사 역시 특허 회피 및 분쟁 최소화를 위한 기술 개발에 속도를 내고 있다. 보고서는 국내 기업들이 글로벌 선두업체들이 확보한 건식 전극 특허를 우회하기 위해 ▲핵심 바인더 조성 변경 ▲공정 조건·장비 차별화 ▲기업 간 상호 기술을 사용하는 '크로스 라이선스' 협상 강화 등 복수의 방안을 검토 중이라고 적었다. 이같은 전략은 향후 특허 분쟁을 최소화하고 건식 전극 공정 도입 속도를 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 분석했다. 다만 기술적·법적 장벽이 높아, 무리한 양산 일정 단축 시 생산 안정성과 품질 문제가 발생할 수 있다는 점도 주요 리스크로 지목했다. SNE리서치 관계자는 “건식 전극 기술이 기존 습식 공정 대비 친환경적이고 제조 효율도 높아, 한 번에 큰 도약을 이룰 수 있는 혁신 영역으로 꼽힌다”면서도, “다만 특허 분쟁 리스크와 대규모 설비 투자가 요구되는 현실을 무시하기 어렵기 때문에, 섣불리 시장에 진입했다가 오히려 적기(適期)를 놓치는 사례도 나올 수 있다”고 설명했다.

2025.04.23 09:58김윤희 기자

기계연, 배터리 가격은 ↓, 에너지 밀도·용량은 ↑

한국기계연구원은 이차전지장비연구실 우규희, 권신 책임연구원 연구팀이 초고속, 대면적 플래시 공정을 활용, 후막 전극의 열화를 억제하는 전극 활성화 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 연구진은 파일럿 스케일의 롤투롤 테스트 베드를 통해 롤투롤 공정과의 호환성도 성공적으로 입증했다. 이차전지장비연구실 우규희 책임연구원은 "후막 전극의 성능 열화를 획기적으로 억제하는 기술"이라며 "배터리 가격은 낮추고 에너지 밀도와 용량은 높이면서도 크기와 무게를 줄일 수 있는 새로운 가능성"이라고 의미를 부여했다. 후막 전극은 고에너지 밀도 구현이 가능하다. 배터리 팩 층수를 줄여 구조를 단순화함으로써 제조 공정 효율화와 원가를 절감할 수 있다. 그러나 후막 전극은 두꺼운 전극 두께로 인해 리튬 이온과 전자 이동 저항이 증가한다. 이로인해 전해질 침투가 어려워져 율속특성(배터리 충방전 속도 성능지표)과 수명과 같은 전기화학적 성능이 크게 저하되는 문제가 있다. 연구진은 이같은 문제 해결을 위해 후막 전극에 1밀리초 이내의 순간적인 플래시를 조사했다. 이 과정에서 발생하는 광열 반응은 재료의 탄화, 활물질(흑연)의 층간 간격 확장, 기공률 증대, 전해질과의 계면적 확대를 일으킨다. 우규희 책임연구원은 "이러한 화학적, 구조적 변화가 리튬 이온과 전자의 이동성을 향상시키고 전해질 침투성을 개선했다"며 "결과적으로 후막 전극의 성능 열화를 억제한다"고 설명했다. 우 책임연구원은 "표면 광열 반응을 이용하기 때문에 집전체를 포함한 후막 전극 전체가 고온에 노출되는 것을 방지한다"며 "전극 내부 바인더 분해를 최소화해 기계적 내구성을 유지하고, 집전체 산화와 같은 열적 손상도 막을 수 있다"고 부연 설명했다. 연구진은 이 기술이 "이차전지 제조 산업의 표준인 롤투롤 공정과의 호환성이 뛰어나다"며 "니켈-코발트-망간(NCM) 양극 등을 비롯한 여러 전극에 확대 적용도 가능할 것"으로 예상했다. 연구진은 현재 플래시 공정을 전극 건조 공정에 적용하고, 응용성을 평가 중이다. 최근에는 이차전지 장비 기업 N사와 전극폭이 광폭인 양산 수준의 설비를 개발하고 공정 평가도 진행 중이다. 우규희 책임연구원은 “플래시를 이용한 전극 활성화 기술은 롤투롤 공정과 호환이 가능한 후처리 기술이기 때문에 기존의 공정과 제조 설비에 접목이 상대적으로 용이하다”고 말했다. 우 책임연구원은 “국내 이차전지 제조사 진입을 목표로 기술 완성도를 높이고 시험 평가와 검증을 지속적으로 진행해 나갈 예정”이라고 밝혔다.한편 연구결과는 재료·화학 분야 국제학술지 '스몰 매서즈(Small methods) 2월호 표지논문으로 선정됐다.

2025.02.26 19:39박희범 기자

나인테크, FO-PLP·유리기판용 습식 공정장비 개발 완료

이차전지·반도체 장비 전문기업 나인테크는 FO-PLP(팬아웃 패널 레벨 패키징) 및 유리기판용 장비 생산을 위한 기술 개발과 테스트를 완료했다고 3일 밝혔다. 나인테크는 지난 3년간 FO-PLP에 적용되는 모든 습식 세정장비를 해외 반도체회사와 글라스 코어기판 회사에 납품하며 관련 기술력을 쌓은 바 있다. 이번에 개발한 장비는 기술적 부분에서 열 팽창 계수의 변화에 따른 기판의 휨(Warpage) 현상을 핸들링 하는 부분과 기판 두께의 얇아짐에 대응하기 위한 기술이다. 장비 개발 및 테스트를 마쳤으며, 유리관통전극(TGV) 공정의 습식 공정 설비 검증도 완료됐다. 회사는 앞으로 예상되는 장비 수요 증가에 대비해 올해부터 추가 증설 추진을 적극 검토하고 있다. FO-PLP는 기존 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)보다 큰 패널을 사용해 더 많은 반도체 칩을 동시에 패키징 할 수 있는 장비다. 글래스 코어 기판(유리기판), 실리콘포토닉스와 더불어 차세대 반도체 기술로 주목받고 있다. FO-PLP 방식은 기존 WLP방식보다 생산성이 월등해 효율이 높을 뿐만 아니라 원가 절감에도 효과적이지만 기판이 넓어 열로 인한 휨 형상이 발생하고 이로 인해 칩 배선 불량까지 이어질 수 있다는 단점이 있다. 또한 유리기판은 기존 플라스틱 기판을대체함으로써 열에 대한 내구성을 높이고 회로 패턴의 오류를 줄여 수율을 높일 수 있으나, 유리관통전극(TGV) 공정의 고도화 및 인터포저(interposer)에 구리(Cu)를 채우는 기술 역시 추가 개발이 필요한 상황이다. 삼성전자와 TSMC 모두 인공지능(AI) 반도체를 만드는 FO-PLP 기술을 차기 로드맵으로 결정했으며, 이중 TSMC는 FO-PLP 방식과유리기판을 적용해 엔비디아 등 AI 반도체 패키징의 생산능력 한계와 비용 문제를 해결하려 하고 있다. 나인테크 관계자는 "급변하는반도체 시장에서 FO-PLP의 패키징 기술과 유리기판을 통한 반도체 패키징의 핵심 기술이 대두되고 있어 반도체 패키징 공정 선도기업 TSMC 역시 FO-PLP 방식과 유리기판을 통해 생산능력과 비용 문제를 해결하고 있다"며 "FO-PLP 장비 납품 경험을 통해 추가 수주에 박차를 가하면서, 연구개발과 더불어 수요 증대에 대비한 생산시설 확충도 진행 중"이라고 밝혔다.

2025.02.03 09:33장경윤 기자

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