한국과학기술원(KAIST)이 경북대, 나노종합기술원과 협력해 반도체 초미세 공정 기반의 리튬이 고르게 쌓이는 구리판을 설계했다. 이는 전기차 배터리를 더 작고 가볍게 만들어, 더 멀리 달리게 할 기술이다.
KAIST는 이진우·정희태 생명화학공학과 교수팀이 경북대, 나노종합기술원 연구진과 함께 반도체 소자 제작에 쓰이는 초미세 공정을 배터리에 적용해 '무음극 전지'의 수명을 늘릴 새로운 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
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 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈'에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
