세라믹기술원, 친환경 고밀도 세라믹 분리막 제조기술 개발

세라믹 시트 제조 공정. (자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(KICET, 원장 정연길)은 김정현 박사와 김수연·신성민 연구원이 산업통상자원부 ‘우주·항공·방산용 세라믹 전지 개발 사업’의 지원을 받아 친환경의 고밀도 세라믹 분리막 제조기술을 개발했다고 지난달 23일 밝혔다.
이번 기술 개발로 우주·항공·방위산업 등 극한 환경에서 안정적인 구동을 할 수 있는 차세대 세라믹 전지를 만들 수 있는 원천기술을 확보했다. 분리막은 전기가 통하지 않는 절연 소재의 얇은 막으로 전지의 양극과 음극의 직접적인 접촉을 차단하면서 이온만 통과시켜 전류를 발생시키는 역할을 하는 필름이다. 개발된 세라믹 분리막은 안정성이 낮아 폭발, 발화 등이 발생할 수 있는 리튬이온전지의 액체전해질 대신 고체전해질로 대체하여 사용할 수 있다.
연구팀은 세라믹 분리막을 습식 공정을 건식 공정으로 대체하여 친환경과 고밀도를 구현할 수 있는 새로운 제조기술을 개발했다. 기존 습식공정 세라믹 분리막은 환경오염을 유발할 수 있는 메틸에틸케톤, 벤질부틸프탈레이트 등의 유해 물질을 사용했고, 밀도가 낮아 상용화가 어려웠다.
연구팀은 건식공정을 적용하여 유해물질을 사용하지 않고 세라믹 분말과 바인더만 사용하여 하나의 반죽으로 만들어 압연과정을 통해 시트를 제조한 후 소결했다. 압연과정에는 분말 형태의 바인더를 길게 잡아당겨 가느다란 실의 형태로 만드는 바인더 섬유화 기술이 적용되었다. 섬유화된 바인더가 세라믹 분말을 균일하게 분산시켜 안정적으로 지지해줌으로써 용매 없이도 시트로 제조가 가능하다. 그 결과, 기존 습식 분리막 보다 40% 가량 높은 밀도와 약 5배 이상의 높은 이온전도도가 나타났다.
김정현 박사는 “기술을 바탕으로 기존 리튬이온전지 적용이 어려운 우주·항공·방위 산업 분야의 극한 환경용 세라믹 전지 개발이 가능하다”며 “UAM 비행시간 증가, 유도 무기 타격거리 증가, 잠수함 임무 수행 가능 시간 증가, 인공위성 수명 증가 등 미래 전략 산업의 핵심 기술을 선점 할 수 있다”고 말했다.
이번 연구성과는 최근 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 게재됐다. 한편, 한국세라믹기술원은 차세대 전지 산업의 초격차 기술을 선제적으로 확보하기 위하여 차세대 세라믹 전지의 R&D와 기업 지원 사업을 추진하고 있다.