일요주간 - 이선영 박사 “세계시장 1조 2000억 원대 리튬이온전지 시장 장악할 포부를 갖고 있다”

<특별한 인터뷰> 세계최초로 나무원료 이용해 리튬이온전지 핵심부품 분리막 개발한 국립산림과학원 이선영 박사 [일요주간=노정금 기자] 국립산림과학원 이선영 박사는 올 해 세계에서 처음으로 나무를 원료로 이용해 리튬이온전지의 핵심부품인 분리막을 개발하는데 성공해 리튬이온전지 분리막 시장의 새로운 도전장을 내걸었다.

리튬이온전지는 스마트폰, PC, 하이브리드 자동차 등 우리 생활에 광범위하게 사용되고 있는 2차 전지다. 이번 연구 성과는 지난 달 국제 학술지에 게제 되었으며 세계시장에서 주목을 받기 시작했다.

<일요주간>에서는 국립산림과학원 이선영 박사를 만나 이번 연구에 대한 이야기를 해보았다.

- 이번연구에 대해 설명한다면.

국립산림과학원 이선영 박사

우리는 나무에 40-50%가량 추출가능한 셀룰로오스를 기계적 방법을 이용해 변화시킨 나노 크기의 셀룰로오스 섬유에서 유기용매와 물의 배합비 및 두께를 조절해 다공성 셀룰로오스 나노종이 분리막을 개발했다. 기존에는 석유계 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 수지를 이용해서 기존에 나노기술을 만드는데 발전되었다. 하지만 이것이 석유계 였지만 우리는 이러한 것들을 바이오물질로 만들었다.

- 가장 큰 장점은 무엇입니까.
기존 석유계 분리막에 비해서 100% 친환경 자원을 이용한 데에 있다. 기존분리막에 비해 기계적 특성이 우수하고 고온에서 수축이 없다. 기존 분리막은 150도에 30분간 노출시켰을 때 30~40% 수축이 발생하는데 나노셀롤로오스 분리막의 경우 전혀 수축이 발생되지 않았다. 또 리튬이온전지의 안전성을 확보했다.

- 나무에서 추출된 셀롤로오스는 무엇입니까.
나무에서 추출할 수 있는 셀롤로오스는 40-50% 인데 이 셀룰로오스는 지구상에서 가장 많이 분포하고 있는 바이오분자로 세계적으로 전기·전자재료, 생체의학재료, 나노복합재료 등 첨단 신소재 개발에 활발히 이용되고 있다.

- 나노기술 이라는 것은 무엇입니까.
나노기술의 특징은 물리·재료·전자 등 기존의 재료 분야들을 횡적으로 연결함으로써 새로운 기술영역을 구축하고, 기존의 인적 자원과 학문 분야 사이의 시너지 효과를 유도하며, 크기와 소비 에너지 등을 최소화하면서도 최고의 성능을 구현할 수 있으므로 고도의 경제성을 실현할 수 있다는 점이다.

- 리튬이온전지는 우리 생활 속에 어떻게 사용되는가.
에너지시장 분석 조사기관의 조사결과를 보면 올 해 리튬이온전지의 4대 핵심소재 양극, 음극, 전해액, 분리막의 세계시장을 1조 2000억 원대로 전망하고 있다. 우리 생활 속 핸드폰, PC, 카메라, 하이브리드 자동차 등에 사용된다. 리튬이온전지 안에 구조를 보면 양극, 음극, 전해액, 분리막이 핵심요소다. 여기서 저희가 분리막을 셀롤로오스로 대체하는 것을 개발한 건데 이것의 역할은 양극과 음극이 맞닿으면 폭발을 하는 것을 차단해 주는 것이다. 앞으로 우리가 이 시장을 장악할 수 있다는 포부를 가지고 있다.

- 어떠한 원리로 리튬이온전지가 작동하는가.
리튬이온전지는 충전이 가능한 2차전지다. 리튬이온전지에서 양극, 음극, 전해액, 분리막이 있다. 양극과 음극은 핸드폰 배터리가 방전이 되면 충전을 한다. 충전을 할 때는 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동을 하면서 완전히 충전이 되면 음극에 다 쌓인다. 그래서 4.2V(볼트)가 된다. 방전이 되면 리튬이온이 양극으로 쌓인다. 이때 3.0V(볼트)가 되면서 전압이 1.2V 차이가 난다. 그래서 안에 있는 기공이 공급을 통해서 리튬이온이 통과하곤 하는 것이다. 분리막의 정의는 양극과 음극 사이에 존재해 두 전극관의 전기적인 단락을 방지한다. 폭발이 되는 것을 방지하고 리튬이온의 통로로 역할을 제공한다.

- 기존 석유계 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 수지로 만든 분리막에 비해 방전이나 성능면에서 떨어지진 않는지요.
똑같은 성능을 보이고 있다. 100번이상 충전을 했을때도 똑같은 성능분석이 나왔다. 이 제품을 만든지 10개월이 다 되어가는데도 똑같은 성능이 유지되고 있다.

- 리튬이온전지 분리막 시장점유율은 국내·외 어떠한 실정인가.
세계 리튬이온전지 분리막 시장은 5개사가 시장의 86%를 차지하고 있다. 미국의 celgard(셀가드)가 23.7%, Tonen(토넨) 19.2%, 일본의 Asahi Kasei(아사히 카세이)가 20.8%를 점유하고 있으며 뒤를 이어 한국의 SK이노베이션이 12.5%, 일본의 Ube(우베)가 10.2%를 시장점유율을 보이고 있다.

- 이번 연구를 하게 된 계기는
저희가 2009년 셀롤로오스를 만들어서 금속보다 강한 슈퍼나노종이도 만들었다. 이것을 개발하고 응용할 수 있는 분야를 생각했다. 3년 전부터 셀롤로오스 나노종이에 공급을 할 수 있는 것을 만드는 것을 계속해서 수행했었다. 그러면서 여러 가지 방법을 쓰다가 지난 해 솔벤트하고 물하고 적정비율을 이용해서 나노사이즈의 공급을 컨트롤해서 분리막을 만드는 연구를 했다. 또 여기서 ‘분리막에 쓰이는 물질을 무엇으로 대체할 수 있지 않을까’ 생각하면서 실행되었다.

- 연구를 하면서 힘들었던 점은.
힘든 부분이 많았다. 왜냐면은 첫 회 2009년도 2010년도에 분리막으로 응용할 때 무엇이 중요한지 어떤 포인트가 제일 먼저 해결 되야 될지 막연해서 2년간은 결과가 없었다. 그러다 포인트를 찾은 것이 공급을 컨트롤하는 것이 제일 중요하다 생각했었다. 그 전에는 강도, 섬유의 사이즈 조절하는 것을 중요하게 생각했었다. 이런 것 보다 공급크기를 제일 중요하게 생각하고 이곳에 포인트를 두고 이것을 통해 하나하나 접근해갔다. 3년 연구결과다.

- 상품화하는 것도 중요하다는 생각이 드는데.
지금은 전 세계가 석유계 폴리에틸렌을 사용하고 있다. 하지만 미세한 것을 만드는데 복잡한 공정을 갖고 있어서 생산비용이 높을 수밖에 없다. 그리고 미국과 일본의 4대 제조사가 세계시장의 74%를 차지하고 있어 막대한 로얄티를 지불하고 있다. 그러나 나노셀롤로오스는 제조공정을 단순화 시켰 단가를 훨씬 낮추었다. 지금 업체들과 계속해서 이야기중이다.

- 앞으로 어떤 연구를 이어 갈 것인가.
지금은 분리막만 제조하는 연구만 했는데 음극소재로 나노셀롤로오스를 이용하고 거기에 전도성 각막 코팅을 해서 음극소재로 활용할 수 있다면 분리막도 음극소재로 셀롤로오소를 대체할 수 있다. 친환경재료로 이것들(리튬이온전지 음극) 이용된다는 것이 희망이다.

<프로필>

- 학위: 고려대(1988 학사, 1990 석사), 워싱턴대학교(1996, 석사), 루이지애나주립대(2002, 박사),
- 수상경력:
The 23rd IUFRO WORLD CONGRESS, 우수과학자상(2010)
제20회 과학기술우수논문상 (한국과총, 2010)
한국목재공학회 학술상 (2010)
농림수산식품부 장관상 (2010)
산림청장상(2011) 등 다수

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