UNIST, 이현욱 교수 연구팀 연이은 성과
충방전 분석과 액체물질 실시간 관찰 가능

이현욱 UNIST 교수 연구팀이 고용량 배터리의 핵심인 실리콘이 온도에 따른 충방전시 특성을 분석했다. 또 새로운 물질을 보는 투과전자현미경 기술도 개발했다. 사진은 나노 기둥 충방전 테스트와 구조 파괴 분석 결과.[이미지= UNIST]
이현욱 UNIST 교수 연구팀이 고용량 배터리의 핵심인 실리콘이 온도에 따른 충방전시 특성을 분석했다. 또 새로운 물질을 보는 투과전자현미경 기술도 개발했다. 사진은 나노 기둥 충방전 테스트와 구조 파괴 분석 결과.[이미지= UNIST]
국내 연구진이 차세대 배터리 후보 물질로 주목되는 실리콘과 새로운 물질을 찾아 낼 투과전자현미경(TEM) 활용 기술을 동시에 개발하며 국제 무대에서도 관심이 쏠리고 있다.

UNIST(총장 이용훈)는 이현욱 에너지화학공학과 교수 연구팀이 차세대 배터리 음극 소재(음극재)로 꼽히는 실리콘의 온도별 충방전 특성을 분석한 결과와 투과전자현미경으로 액체물질을 실시간 관찰하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

실리콘은 상용화된 음극재인 흑연보다 10배정도 용량이 크다. 덕분에 고용량 배터리 소재 후보로 손꼽히지만 충방전을 반복하면 단일 입자와 전자가 파괴되는 점, 또 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면이 형성되면 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 안고 있었다. 때문에 실리콘을 차세대 음극재로 쓰려면 부피 팽창으로 인한 구조적 안정성 확보가 중요하다. 

연구진은 방향성이 다른 3종류의 단결정 실리콘 웨이퍼에 전자빔으로 다양한 지름의 실리콘 나노 기둥을 제작했다. 나노 기둥을 중심으로 배터리 셀을 조립, 여기에 전기를 충방전하며 리튬과 실리콘 웨이퍼의 전기화학 반응을 살폈다. 그 결과 실리콘 웨이퍼의 결정면 방향에 따라 각 나노 기둥은 리튬 충전 후 서로 다른 부피 팽창 거동을 보였다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 영하 20℃ 이하의 저온 환경에서 리튬 충‧방전을 거친 실리콘 나노 기둥의 파괴 거동도 분석했다. 그러자 상온에서는 리튬 이온을 두 번 충전해도 비교적 안정적이었던 300나노미터(㎚) 지름의 실리콘 나노 기둥이 저온 환경에서는 100% 파괴됐다. 

제1저자인 염수정 에너지화학공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "실리콘 결정면의 특징에 따라 각각 둘, 넷, 여섯 방향으로 팽창하는데, 저온이나 상온 이상의 환경에서는 다른 특성을 보였다"며 "높은 온도에서는 부피 팽창의 방향성이 줄어들고, 0℃ 이하에서는 팽창 방향성이 증가해 나노 기둥이 쉽게 파괴됐다"고 설명했다.

이현욱 교수는 "이번 연구를 미루어 보면, 겨울철 저온 환경에서 충‧방전 시 실리콘 음극에서는 부피 팽창과 파괴가 나타날 수 있다"며 "저온에서 실리콘 음극의 기계적 거동을 규명하고 파괴를 완화하는 방법을 개발하는 추가 연구가 필요할 것"이라고 제안했다.

이번 연구는 싱가포르 난양공대의 이석우 교수팀과 공동으로 진행했다. 지원은 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업 프로그램에서 지원 받았다.

이현욱 교수 연구팀은 단결정 그래핀을 이용해 '액체 상태의 물질'이 움직이는 모습을 원자 단위까지 관찰할 수 있는 새로운 TEM 기법도 찾아냈다. 

TEM은 전자빔을 쏘아서 물질을 관찰하는 현미경으로, 광학현미경보다 수천 배가량 높은 배율로 물질을 관찰할 수 있다. 그러나 관찰대상이 액체일 경우 증발되지 않도록 높은 진공상태에 둬야 한다. 이 때문에 약 50나노미터(㎚) 두께의 '질화 실리콘 막'이나 탄소 원자 하나 두께의 '그래핀'을 이용해 액체를 감싸서 내부 물질을 분석해왔다. 하지만 질화 실리콘 막의 두께는 관찰대상을 가리는 수준이라 해상도 높은 이미지를 얻기 어려웠다. 또 그래핀을 사용할 경우 액체를 가두는 부분의 모양과 위치, 크기가 달라져 일정한 조건에서 물질 관찰이 쉽지 않았다.

연구팀은 새로운 액체 캡슐을 개발해 문제 해결에 나섰다. 질화 실리콘막의 원하는 위치에 수백 나노미터 크기로 구멍을 일정하게 뚫은 뒤 단결정 그래핀을 합성해 코팅한 것이다. 2개의 막 사이에 액체를 두고 겹치면, 액체가 구멍을 덮은 그래핀 두 막을 위아래로 부풀리면서 그래핀 사이에 가둬진다.

진성환 교수는 "질화 실리콘 막보다 100배 얇고 3배 이상 강한 단결정 그래핀을 사용해 액체를 가둠으로써 TEM 이미지의 해상도를 극대화할 수 있었다"며 "액체 캡슐의 크기와 위치, 모양을 자유롭게 조절해 동일 액체 조건에서 물질을 여러 차례 관찰할 수 있다"고 설명했다. 

새로 개발한 액체 캡슐을 쓰면 전자빔을 투과하는 액체의 두께가 기존보다 훨씬 얇아 가벼운 원소나 고분자, 바이러스 관찰에도 유리할 전망이다. 이현욱 교수는 "그간 관찰하지 못했던 가벼운 화합물의 액상 합성과정과 운동 메커니즘을 명확히 밝혀 배터리 물질 개발에 속도를 더할 것"이라고 기대했다. 

이 연구는 진성환 UNIST 에너지화학공학과 교수와 로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 특훈교수)가 공동으로 진행했다. 한편 이현욱 교수 연구팀은 최근 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 논문 2편을 잇달아 발표했다. 

연구에 사용된 액체 셀의 구조적 모식도. 액체는 그래핀 두 막사이에 가둬져 있다.[이미지= UNIST] 
연구에 사용된 액체 셀의 구조적 모식도. 액체는 그래핀 두 막사이에 가둬져 있다.[이미지= UNIST] 
연구팀은 국제 학술지 나노레터스에 연이은 성과를 게재했다.[사진= UNIST]
연구팀은 국제 학술지 나노레터스에 연이은 성과를 게재했다.[사진= UNIST]
저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지