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전기차 배터리 더 작고 가볍게…구리판 바꿔 ‘무음극 전지’ 수명 늘린다
전기차 배터리를 더 작고 가볍게 만들면서 한 번 충전으로 더 멀리 달리게 할 기술이 개발됐다. KAIST 연구진은 충전된 리튬을 저장하는 흑연 등의 음극재를 없애 무게와 공간을 줄인 ‘무음극 전지’에서, 리튬이 가시처럼 자라 수명을 떨어뜨리는 문제를 해결할 새로운 방법을 제시했다. 반도체 초미세 공정으로 리튬이 고르게 쌓일 자리를 만들고 단단한 보호막이 형성되도록 한 것이 핵심이다.
생명화학공학과 이진우·정희태 교수 공동연구팀이 경북대학교(총장 허영우), 나노종합기술원(원장 박흥수) 연구진과 함께 반도체 소자 제작에 쓰이는 초미세 공정을 배터리에 적용해 ‘무음극 전지’의 수명을 늘릴 새로운 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
일반적인 리튬이온전지는 충전된 리튬을 흑연 등의 음극재에 저장한다. 반면 무음극 전지는 별도의 음극재 없이 얇은 구리판 위에 리튬을 직접 쌓는다. 음극재가 차지하던 무게와 공간을 줄일 수 있어 같은 크기의 배터리에 더 많은 에너지를 담을 차세대 기술로 주목받고 있다.
그러나 충전과 방전을 반복하면 리튬이 구리판 위에 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지나 가시처럼 자라는 ‘덴드라이트’가 발생한다. 리튬을 보호하는 막도 불안정해져 배터리의 성능과 수명이 빠르게 떨어진다. 이는 무음극 전지의 실용화를 가로막는 대표적인 난제다.
기존에는 무음극 전지의 수명을 늘리기 위해 리튬을 여분으로 넣거나 표면에 두꺼운 보호층을 덧붙였다. 사용 중 줄어들 리튬을 미리 보충하거나 외부에 보호막을 씌우는 방식이다. 하지만 재료가 늘어나는 만큼 배터리가 무겁고 두꺼워져, 작고 가벼운 무음극 전지의 장점이 줄어든다.
연구팀은 재료를 더 넣는 대신 리튬이 쌓이는 구리판 자체를 바꿨다. 평평한 주차장에 주차 구역을 촘촘히 만드는 것처럼 구리판 표면에 미세한 관 모양의 구조를 만들어, 리튬이 한곳에 몰리지 않고 넓게 나뉘어 쌓이도록 했다.
이를 위해 반도체를 정밀하게 가공할 때 쓰는 ‘2차 스퍼터링 리소그래피(SSL)’ 공정을 활용했다. 구리판에 직경 약 300나노미터, 높이 약 150나노미터의 미세한 관을 만들자 리튬이 닿는 면적이 평평한 구리판보다 약 4배 넓어졌다. 그만큼 리튬이 한곳에 뾰족하게 자라기 어려워졌다.
구리판 위에는 ‘맥신(MXene)’이라는 2차원 신소재를 약 10나노미터 두께로 입혔다. 머리카락 굵기의 수천분의 1에 불과한 초박막이다. 맥신은 완성된 보호막을 씌우는 것이 아니라, 보호막을 만드는 성분을 끌어모으는 ‘밑칠’처럼 작용한다. 배터리가 작동하면 맥신 표면에 리튬플루오라이드(LiF)가 풍부한 단단한 보호막이 자연스럽게 만들어진다.
이 보호막은 리튬과 전해질 사이의 불필요한 반응을 줄이고, 리튬이 가시처럼 자라는 것도 억제한다. 연구팀은 공기와의 접촉을 차단한 채 배터리 표면과 내부를 정밀하게 관찰해, 맥신을 따라 나노 크기의 보호막이 고르게 만들어지는 것을 확인하고 그 형성 원리까지 규명했다. 분석에는 엑스선 광전자 분광법(XPS), 비행시간형 이차이온 질량분석기(ToF-SIMS), 투과전자현미경(TEM) 등이 사용됐다.
이진우 교수는 “이번 연구는 전해질을 바꾸거나 여분의 리튬을 넣지 않고, 반도체 초미세 공정으로 리튬이 고르게 쌓일 공간과 안정적인 보호막을 함께 만들었다는 데 의미가 있다”며 “배터리의 무게와 부피 증가를 최소화하면서 수명을 늘려 고에너지 무음극 전지의 실용화를 앞당길 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 김은지·정현주·김진욱 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 9월 1일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Anion-Interactive Anode Interfaces for Stable Anode-Free Lithium Metal Batteries, DOI: 10.1002/adfm.77931
※ 저자 정보: 김은지(KAIST·나노종합기술원, 공동 제1 저자), 정현주(KAIST, 공동 제1 저자), 김진욱(KAIST, 공동 제1 저자), 정희태(KAIST, 교신저자), 이용희(경북대학교, 교신저자), 이진우(KAIST, 교신저자)
※ 관련 논문 원문 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.77931
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업과 중견연구사업, 나노종합기술원의 반도체-이차전지 인터페이싱 플랫폼 기술개발사업 및 반도체 글로벌 첨단팹 연계 활용사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
2026.09.22 조회수 2968 -
인공지능과 미래사회 국제심포지엄 개최
우리 대학이 '인공지능과 미래사회 KAIST 국제심포지엄'을 오는 10일 온라인으로 개최한다.
인공지능연구원, Post-AI 연구소, 한국4차산업혁명정책센터 등 KAIST에서 인공지능을 이끌어가는 대표적인 연구조직이 공동으로 주관하고 동원육영재단이 후원한다.
최초의 컴퓨터가 발명된 이래로 인공지능 연구는 끊임없이 이어지고 있으며, 이러한 기술의 발전은 의도치 않은 부작용을 가져오기도 한다. KAIST는 인공지능 리스크를 포함한 자연 및 인적 재해로부터 안전한 환경을 만들기 위한 공론의 장을 마련하고자 이번 심포지엄을 준비했다.
인공지능이 인류에게 제시하는 도전과제가 무엇인지를 정의하고 이로부터 발생하는 기회와 위기를 전망하기 위해 공정성·윤리·정책·기후변화 등 인공지능을 둘러싼 총 네 가지 문제를 핵심 주제로 선정했다. 기조 강연은 인공지능 분야의 교과서로 불리는 『인공지능: 현대적 접근방식』을 집필한 스튜어트 러셀(Stuart Russell) 美 UC버클리대학교 전기공학 및 컴퓨터과학과 교수가 맡는다. 러셀 교수는 '증명 가능한 유익한 인공지능(Provably Beneficial Artificial Intelligence)'이란 제목으로 강연한다. '인간은 인간을 뛰어넘는 기계에 대한 통제력을 잃을 것'으로 내다봤던 앨런 튜링(Alan Turing)의 견해에 대해 '우려는 옳았지만, 결론은 틀렸다'라는 주장을 바탕으로 인간에게 유익한 새로운 종류의 AI 개발을 대안으로 제안할 예정이다. 이어지는 주제연설은 총 네 분야로 나눠 진행된다. 첫 번째 순서인 '인공지능과 공정성'에서는 다양성으로 인해 발생하는 정당한 차이를 공정하게 처리하는 인공지능을 만드는 것이 가능한가에 관해 발표 및 토론한다. 두 번째 '인공지능 윤리'에서는 오랜 세월 분투해왔지만, 여전히 비윤리적인 행동 문제를 해결하지 못한 인간이 과연 '윤리적인 인공지능'을 만들 수 있는지에 대해 다룬다. '인공지능 정책' 순서에는 각국 정부가 인공지능 활성화에 박차를 가하기 위해 연구 개발(R&D)과 인프라에 막대한 투자를 감행하고 있는 승자독식의 기술 경쟁 구도 속에서 우리가 설계해야 할 자율적인 관리 방식을 논의한다. 마지막 순서로는 인공지능과 기후변화'를 토론한다. 기후변화 연구는 항상 데이터를 기반으로 진행된다. 기후 영향을 추적하고 예측하려면 상당한 양의 시공간 정보가 필요하기 때문이다. 세계 각국이 최대의 공동 과제인 기후변화에 대응해 활용할 수 있는 최신 인공지능 기술을 논의하고 해결방안을 제시한다.AI로 '가능한' 것과 '가능해야만' 하는 것이 무엇인지 질문을 던지고 의견을 나누는 이번 심포지엄에는 털시 도시(Tulsee Doshi) 구글 社 '책임 있는 인공지능과 인간 중심 기술팀' 제품 총괄, 케이 퍼스-버터필드(Kay Firth-Butterfield) 세계경제포럼 집행위원, 사이몬 체스터만(Simon Chesterman) AI 싱가포르 AI거버넌스 선임이사, 에밀리 슉버그(Emily Shuckburgh) 케임브리지 제로 이사 등 인공지능 분야를 세계적으로 선도하는 13명의 해외 전문가와 7명의 KAIST 교수가 참여해 인공지능과 미래사회에 대한 심도 있는 논의를 펼칠 예정이다.
행사를 후원한 동원육영재단의 김재철 이사장은 "인공지능은 더 이상 선택이 아닌 국가 생존을 위한 필수 조건이며, 미래는 데이터의 바다를 항해하는 인공지능을 통해 발전해갈 것"이라고 환영사를 전한다.
또한, 이광형 KAIST 총장은 개회사를 통해 "인공지능과 함께 살아갈 미래 세상을 대담하게 상상해달라"고 당부하며, "인공지능에 관한 각양각색의 상상과 토론이 더 나은 인류의 미래를 견인하는 구체적인 기술과 정책, 제도로 구현되길 기대한다"라고 전할 예정이다.
한편, 심포지엄을 주관한 인공지능연구원은 인간의 삶의 질을 향상하는 혁신적인 인공지능 기술 개발을 목표로 올해 6월 출범한 KAIST의 신규 조직이다. 교내 인공지능 연구 역량을 한데 모아 관련 산업 분야와 연계하고 시너지 효과를 극대화하는 역할을 맡았다. KAIST 인공지능연구원의 본격적인 행보를 알리는 국제심포지엄은 10일 오전 10시부터 오후 6시까지 '유튜브 KAIST 채널'에서 실시간 중계된다. 누구나 무료로 시청할 수 있으며, 동시통역이 제공된다. 심포지엄에 관한 자세한 정보는 홈페이지(https://kaistai.kr/korean)에서 확인할 수 있다.
2021.12.07 조회수 21110