연구실 탐방

제일계산을 응용해 2차 전지 기술을 연구하는
KAIST ‘에너지 신소재연구실’

KAIST의 에너지 신소재 연구실은 강기석교수 지도하에 박사 후 과정 1명, 박사 과정 5명, 석사 과정 7명의 연구원들이 연구활동을 펼치고 있다. 2008년 1월 부임해 KAIST 교수로서 2년 반을 보낸 강기석 신소재공학과 교수를 만나 에너지 신소재 연구실의 운영 방향에 대해 들어봤다.

현재 교수님연구실에서 중점적으로 추진하고 계신 연구가 있다면 구체적인 소개 부탁드립니다.
리튬 이차 전지는 현재 거의 모든 휴대폰, 노트북, MP3 등 소형 전자기기에 전원을 공급하는데 이용되고 있습니다. 리튬 이차 전지의 성능은 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하는 전극 소재의 능력에 가장 큰 영향을 받기 때문에, 전극 소재 자체의 개발이 중요합니다.
저희 연구실에서는 이러한 전극 소재의 개발을 중점적으로 진행하고 있으며, 단순히 trial&error의 반복적인 실험을 통한 연구가 아니라, 제일계산(first principles calculation)이라는 진보된 연구 방법을 이용하여 보다 효율적이고 직접적인 연구를 진행하고 있습니다. 제일계산은 실험적으로 구현 및 테스트가 가능한 나노단위(nano-scale)보다도 더욱 정밀한 원자단위(atomic scale)에서 소재를 분석하고 디자인할 수 있기 때문에, 물질 자체가 갖는 보다 근본적인 특성의 과학적 분석을 가능하게 합니다.
이를 바탕으로 공학적인 측면에서의 연구뿐 아니라 기초적인 과학 측면에서의 연구에도 힘을 쏟고 있습니다. 또한 실험으로는 구현 불가능한 다양한 조건 하에서 소재의 열역학적인 특성을 분석할 수 있으며, 근본적인 물질 자체의 특성과 그러한 특성이 일어나는 원인을 직접적으로 알 수 있기 때문에 문제점을 개선할 수 있는 방향을 효율적으로 설정할 수 있다는 장점이 있습니다.
이렇게 이차 전지 분야에서 실험과 제일계산을 동시에 진행하여 시너지 효과를 이끌어낼 수 있는 그룹은 전 세계에서도 카이스트를 포함해 MIT 공대와 일본 도쿄공대 등 3곳 정도입니다.

연구 중인 분야의 발전가능성과 현재까지 연구 분야의 성과는 어떠한가요?
리튬이차전지 기술의 개발 및 발전은 지난 20세기 말부터 시작된 IT기술의 급속한 발전 및 대중화에 지대한 영향을 끼쳤습니다. 소형 리튬이차전지 기술의 발전은 지난 세기에 휴대전화, 디지털 카메라 PDA, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 가전기기 시장의 성장 동력을 제공하였습니다. 21세기 들어서도, 리튬이차전지 기술개발에 대한 시장의 요구는 점차 커지고 있습니다. 이는 휴대용 컨버젼스 가전(convergence electronics), 이식형 의료기기(implatable medical devices) 및 전기구동 자동차 등과 같은 새로운 시장의 창출에 따른 고효율, 고용량 이차전지 수요에 기인합니다. 뿐만 아니라 최근 들어 화석 연료 고갈 및 이산화탄소 배출 규제에 따라 전세계적으로 신재생 녹색 에너지 개발에 관한 광범위한 연구가 진행 중이며, 이는 국가 경쟁력에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상됩니다. 신재생 녹색 에너지는 에너지의 생산 뿐 아니라, 에너지의 효과적인 사용이 필수적이며, 이에 따라 고성능 이차전지 시스템 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
특히, 에너지와 환경에 대한 위기의식으로 새롭게 떠오르고 있는 시장이 전기에너지를 이용한 HEV (Hybrid Electric Vehicle)와 PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle) 시장인데 현재 세계 각국의 정부와 기업체 들이 이들의 성능 개발을 통한 기술 우위를 누리기 위해 경쟁 중입니다. HEV와 PHEV의 핵심 부품은 전기를 높은 에너지 밀도와 출력 밀도로 공급할 수 있는 전원장치이며, 현재는 Ni-MH 이차 전지가 쓰이고 있습니다. 리튬 이차 전지는 Ni-MH계 전지 보다 높은 에너지 밀도를 가짐에도 불구하고, 안전성과 신뢰성 그리고 경제성면에서 보다 많은 연구가 필요하며, 서서히 Ni-MH계 전지를 대체할 것으로 보입니다. 이러한 상황에서 새로운 차세대 리튬 이차전지 전극을 개발하는데 힘을 쏟는 것은 당연하다고 생각합니다.
저희 그룹에서도 리튬 이차 전지 전극 물질과 관련해 현재 다양한 연구 결과를 발표하고 있습니다. 크게 두 방향으로 연구를 진행하고 있는데, 하나는 이차 전지의 출력 특성에 영향을 미치는 입자 구조를 효과적으로 제어할 수 있도록 다양한 나노 구조를 갖는 전극 재료를 합성하는 공학적 측면에서의 연구입니다. 바이러스나 자기조립 단백질, 그래핀 등을 템플릿으로 이용하여 다양한 형상의 나노 구조를 갖는 전극 소재를 합성하는 연구를 하고 있으며 이는 BT, NT, ET를 융합하는 매우 우수한 방법입니다. 다른 한 방향은 소재 자체의 근본적인 특성을 연구하는 과학적 측면에서의 연구입니다. 예를 들면 다양한 전이 금속들이 다양한 구조 내에서 충방전 시에 어떠한 방식으로 거동하는지에 대한 연구와 같은 것입니다.
이렇게 연구를 진행하는 과정에서 현재 다양한 연구 결과들이 나오고 있습니다. 대표적으로 전극 재료의 원자 레벨 그리고 나노 레벨에서의 디자인에 관한 논문 두 편을 Science에 발표하였습니다. 또한 해마다 출판 되는 논문의 수도 점점 증가하고 있습니다. 올해 현재까지만 약 10건 가량의 논문이 발표되었습니다. 새로운 전극 소재에 대한 특허 또한 국내에 3건 출원하였고, PCT 특허를 준비 중에 있습니다.

2차전지 분야에서 제일계산과 실험을 동시에 진행하는 이유가 궁금합니다.
제일계산이란 물리학의 기본 법칙인 슈뢰딩거 방정식으로부터 물질의 구조와 전자 구조를 계산하고 특성을 분석할 수 있는 유용한 툴입니다. 실험으로부터 나온 가정이나 상수 값들을 대입하는 과정이 있는 피팅(fitting) 또는 시뮬레이션과는 다른 보다 근본적인 전산 모사 방법입니다.
이러한 제일계산은 다양한 분야에서 이용되어 왔는데, 이차전지 분야에서도 제일계산이 매우 유용한 연구 방법이라는 것이 미국 MIT의 Gerbrand Ceder 그룹을 통해 널리 알려지고 있습니다. 이론 및 계산을 통한 물질 거동의 예측 및 물리적 성질의 산출은 실험적 결과에 신빙성을 부여하며 원자 단위의 모델링을 바탕으로 해 다양한 연구시도를 가능하게 합니다. 또한, 기존의 try and error 연구 방식에 비해 효율 면에서 월등히 우수할 뿐만 아니라 연구비 절감에도 크게 기여를 하는 선진국형 연구 기술 방법입니다.
저희 연구팀은 이차전지 소재의 특성 예측을 위한 이론적 접근으로서 제일계산법을 이용하고 있습니다. 일반적으로 이차전지의 특성은 전극 소재 내의 이온들 간의 상호작용에 크게 영향을 받는데, 원자 단위에서의 상호작용을 실험적으로 분석하는 것에는 많은 어려움이 따릅니다. 전산모사는 실험적으로 분석하기 어려운 원자 단위 특성을 예측하는데 탁월한 방법입니다. 예를 들자면 양극 물질에서 리튬이 빠져나가고 들어감에 따라서 주위의 전이 금속-산소 결합이 어떻게 변하는지, 어떠한 지엽적인 구조변화가 일어나는지, 그리고 왜 그러한 현상이 나타나는지를 보다 직접적으로 알 수 있습니다. 이렇듯 원자 단위의 microscopic한 레벨에서 어떤 현상이 일어나는지를 관찰함으로써 전체 전극 물질의 macroscopic한 특성이 왜 나타나는지를 알 수 있고, 원인을 알게 됨으로써 보다 효율적인 개선 방향을 제시할 수 있기도 합니다. 또한 실험을 시작하기에 앞서서, 어떠한 물질이 과연 열역학적으로 안정한 상인지를 형성 에너지를 계산함으로써 미리 예측할 수 있고 이를 바탕으로 합성의 진행 방향을 설정할 수 있습니다. 그 물질이 갖는 성질들, 예를 들면 격자 상수, 작동 전압, 충방전 시의 구조적 안정성 등을 실험을 하기 전에 파악할 수 있기 때문에 보다 효과적인 연구의 진행이 가능합니다.
또한 저희 연구팀이 적용하고 있는 제일계산법은 다른 전산모사법에 비해 정확성이 우수하고 신뢰도가 높은 장점이 있습니다. 따라서 실험과 제일계산 전산모사를 병행함을 통해 시행오차 최소화가 가능하며, 이를 통해 신규 이차전지 소재 개발의 원천기술을 획득할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

연구실 운영의 노하우나 고충에 대해 세라믹코리아 독자들과 공유하고 싶으신 내용이 있다면 한 말씀 부탁드립니다.
저는 다른 사람들과 함께 대화하고 소통하면서 어떠한 문제에 대한 실마리를 찾아갈 때 연구가 참 재미있다고 느낍니다. 과학에 있어서 커뮤니케이션은 필수고, 그렇기 때문에 함께 연구하는 사람들이 참 중요하죠. 그래서 저는 실험실 구성원들과 서로 긍정적인 인간관계를 구축하고 연구를 진행하는데 있어서 충분한 동기 부여를 할 수 있도록 도움을 주려고 합니다. 그러기 위해서 끊임없는 연구를 통해 학생들에게 비전을 제시해야 하며 이는 무한한 체력과 집중력을 필요로 합니다. 학생들 역시 부단한 노력을 해야 합니다.
전 세계에서 수많은 과학자들이 다양한 연구를 진행하고 있으며, 연구의 진행 방향 역시 빠르게 변화하고 있습니다. 이에 맞서서 뒤떨어지지 않고 앞서 나가는 그룹이 되기 위해서는 더욱 노력하고 있습니다. 하지만 저희 그룹의 구성원들이 모두 함께 열심히 노력하고 있기 때문에 함께 연구해 나가는 과정이 재미있고 즐겁습니다.
김동진 기자 rizzz@naver.com

 KAIST-신소재공학과 건물

리튬이온 베터리의 충방전 메카니즘
원자단위에서의 제일계산
제일계산을 수행하는 데 이용되는 84core 클러스터 시스템
전극 물질의 성능을 테스트 하는데 이용되는 충방전기

< 일부 사진자료가 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2010년 9월호를 참조바랍니다.>