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KAIST-오리건대, 2차원 다층 전도성 소재 개발…고성능 소자개발 가능

두께가 원자층(0.3~1nm) 수준인 2차원 전도성 소재가 한-미 연구진에 의해 개발됐다. 공동 연구는 박선아 KAIST 화학과 교수와 크리스토퍼 헨든 미국 오리건대학교 교수가 진행했다. 이들은 층간 간섭을 최소화하면서도 높은 전기전도도를 갖는 새로운 2차원 전도성 금속-유기 골격체(MOF)를 개발했다. 2차원 소재는 두께가 원자층 수준으로 얇아 전자 이동이 엄청 빠르다. 차세대 반도체와 양자 소재로 유망하게 꼽는다. 그러나 여러 층이 쌓이면, 층과 층 사이에서 전자구조와 수송 특성이 변해, 전도도가 뚝 떨어진다. 연구팀은 이 문제를 층과 층을 비틀어 쌓는 방법으로 해결했다. 층을 엇갈려 쌓아 면과 면이 서로 닿는 것을 최소화했다. 이를 통해 전자 이동의 방해 요소를 제거했다. 박선아 교수는 전화통화에서 "평편 상에서 누워있던 벤젠고리를 세로로 쌓는 방식으로 바꿔 오비탈 방향을 바꾼 것으로 보면 된다"며 "이를 통해 전자 간 상호작용이 거의 없어 전도도를 확보할 수 있었다"고 설명했다. 연구팀은 이같은 구조를 구현하기 위해 트립티센(Triptycene) 기반으로 분자를 설계하고, 이를 이용해 새로운 2차원 전도성 MOF 소재(Ni₃(HITrip)₂)를 합성했다. 박선아 교수는 "이 소재는 전자가 빠르고 효율적으로 이동할 수 있는 특수한 전자 구조(kagome 격자의 디랙 밴드 구조)를 그대로 보존했다"며 "이는 단일층에서만 구현 가능할 것으로 여겨졌던 전자 구조가 실제 여러 층이 쌓인 벌크 소재에서도 유지될 수 있음을 보여주는 결과"라고 설명했다. 실제 이 소재는 별도 도핑(불순물을 넣어 전기적 특성을 높이는 공정) 없이도 0.58 S/cm의 높은 전기전도도를 나타냈다. 이는 구리 대비 100만배 낮은 전도도다. 하지만, 물이나 전해질보다는 훨씬 잘 전기가 통하고, 특히 전도성 고분자나 탄소계 복합재, 일부 2D 물질 수준으로 볼 수 있다. 박 교수는 "향후 고성능 전자소자나 차세대 에너지 소재 개발에 활용될 것으로 기대한다"며 "양자소재나 위상물질(독특한 전자 이동 특성을 나타내는 차세대 기능성 소재) 연구에도 새로운 가능성을 제시했다"고 평가했다. 연구결과는 화학분야 국제학술지(Journal of the American Chemical Society)에 게재됐다.

2026.06.08 08:37박희범 기자

"전고체전지 밀도 낮을수록 전도도 높다"는 통념 깨졌다

국내 연구진이 차세대 배터리 기술로 주목받는 전고체전지에서 "밀도가 낮을수록 전도도가 높다"는 통념을 AI(인공지능)를 활용해 뒤집었다. 한국과학기술연구원(KIST)은 계산과학연구센터 이병주 박사 연구팀이 AI 기반 원자 시뮬레이션 기계학습을 통해 비정질 고체전해질에서 리튬 이온 이동을 좌우하는 핵심 요인을 규명했다고 25일 밝혔다. 연구팀은 리튬 이온 이동을 '짧은 거리에서의 이동'과 '전체 경로의 연결성'으로 나누어 분석하고, 전체 성능은 경로 연결성보다 이온이 한 자리에서 다음 자리로 이동하는 난이도에 더 크게 좌우된다는 사실을 확인했다. 실제 리튬 이온 전도 성능은 조건에 따라 최대 5배 이상 차이를 보인 반면, 경로 연결성 영향은 약 2배 수준에 그쳤다. 계산과학연구센터 이병주 선임연구원(교신저자)은 이에 대해 "이는 비정질 구조로 인해 설명이 어려웠던 성능 편차를 정량적으로 해석할 수 있는 기준을 제시했다는 의미가 있다"고 설명했다. 연구팀은 또 리튬 이온 이동성을 높이는 구체적인 구조 조건도 밝혀냈다. 리튬 이온 주변을 네 개의 황 원자가 둘러싼 구조 비율이 높을수록 이온 이동이 빨라진다는 것. 내부 빈 공간(공극,pore) 크기가 적정 범위에 있을 때 가장 우수한 성능을 나타냈다. 지나치게 큰 빈 공간(voids)은 리튬이온이 안정적으로 존재할 수 없어 오히려 이온 이동을 방해하고 성능을 저하시키는 것을 확인했다. 이병주 선임은 "지나친 자유공간(free volume)은 역효과를 일으킬 수 있다는 사실을 정량적으로 보여준 것"이라며 "이를 통해 '밀도가 낮을수록 전도도가 높다'는 기존 통념을 뒤집는 결과를 제시한 것"이라고 말했다. 연구팀은 또 전고체전지 업계에서 오랫동안 경험적으로만 알려져 있던 리튬 삼 인산 사황화물(Li₃PS₄) 근처 조성과 약 1.8g/cm³ 밀도에서 전도도가 최대가 되는 현상도 근본적 기원을 규명했다. 최적의 전도도는 ▲Li–S₄ 국소 환경(리튬 이온 하나가 네 개의 황 원자와 결합·상호작용하며 안정적으로 자리 잡고 있는 미시적인 주변 구조)이 가장 안정적으로 형성되는 조성과 ▲공극이 충분히 확보되면서도 빈공간이 발생하지 않는 임계 밀도가 동시에 충족될 때 나타났다. 이병주 선임은 "전고체전지용 고체전해질 설계와 제조 공정에 바로 적용할 수 있다"며 "추가적인 소재 변경 없이 이온 전도 성능을 개선할 수 있어, 산업 현장에서 활용도가 높을 것"으로 내다봤다. 이 선임은 "이 연구결과를 다양한 고체전해질 소재 개발로 확장할 수 있다"며 "고성능 후보 물질을 사전에 선별, 성능 예측과 소재개발 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있어 전기차와 에너지 저장장치 등 안전성과 에너지 밀도가 중요한 분야에서 전고체전지 상용화를 앞당길 것"으로 기대했다. 연구는 과학기술정보통신부/KIST 주요사업인 소재글로벌영커넥트사업의 일환으로 수행됐다. 논문 제1저자는 KIST 계산과학연구센터 김치훈 학생연구원이다. 연구결과는 에너지 재료 분야 국제 학술지(Advanced Energy Materials. IF 26.0, JCR 분야 2.5%) 최신 호에 게재됐다.

2026.01.25 12:00박희범 기자

KETI·성균관대, 전고체 전지 충방전 속도·수명 개선 핵심기술 개발

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 성균관대 김영준 교수 연구팀과 함께 전고체 전지의 충·방전 속도와 수명 개선을 위한 핵심 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 전고체 전지 전극은 일반적으로 활물질·고체 전해질·도전재를 혼합해 구성되지만, 고체 전해질 함량이 증가하면 이온 전도성은 높아지나 전자 이동이 저하하고, 도전재인 카본 블랙의 함량이 증가하면 전자 전도성은 향상되나 이온 이동이 제한돼 이온과 전자 전도성을 동시에 극대화하는 것이 주요 기술적 과제로 지적돼 왔다. KETI 차세대전지연구센터와 성균관대학교 나노과학기술원 김영준 교수 연구팀은 고체 전해질과 탄소나노섬유(CNF)를 함께 합성하는 방식을 개발함으로써 전고체 전지의 이온과 전자 전도성을 동시에 향상하고, 충·방전 속도와 수명이 개선됨을 확인했다. 연구진은 고체 전해질 합성 과정에서 CNF를 균일하게 분산시키는 기계적 밀링과 열처리 공정을 적용한 복합화 방식을 적용했다. 기술 개발을 주도한 김경수 박사(KETI 수석연구원)는 “이 기술은 기존 고체 전해질 합성 공정에 CNF를 추가하는 비교적 단순한 방식으로 구현돼 상업적 적용이 용이할 것으로 기대된다”며 “센터는 연구 결과를 바탕으로 전고체 전지 성능 극대화를 위한 요소 기술 개발에 집중할 계획”이라고 밝혔다. 황화물계 고체 전해질은 이온 전도도가 높지만 탄소와의 산화반응으로 충·방전을 반복 하면 성능이 저하하는 문제가 있었으나, 이번 기술을 적용하면 100회 충·방전 후에도 용량 유지율이 기존 대비 35% 향상되는 것으로 확인됐다. 송준호 KETI 차세대전지연구센터장은 “연구진은 차세대배터리 소재와 전극 기술부터 전지 제조 기술까지 폭넓은 연구를 진행하는 한편, 충청북도 오창에 리튬 이차전지 및 전고체 전지 평가·분석 시설 구축을 추진하고 있다”며 “KETI는 배터리 분야 국내 핵심 거점으로서 전고체 전지 상용화 연구에 주력하겠다”고 밝혔다. 한편, KETI의 연구 성과는 재료화학 분야 국제학술지인 '재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A, IF=10.7)' 최신호에 게재됐다. 연구는 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 사업 지원을 받아 수행됐다.

2025.03.14 18:59주문정 기자