-기업체 기술이전 이후 수천 톤급 그래핀 양산 시작, 출연(연) 기술 사업화 모범 사례
[일요신문] 한국전기연구원(KERI)의 역대 대표성과 중 하나로 손꼽히는 ‘리튬이온전지용 실리콘·그래핀 복합 음극재’가 기술 이전을 넘어 양산화를 눈앞에 두고 있다.
실리콘은 기존 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고, 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 가지고 있지만, 충·방전 시 부피 팽창(3배 수준) 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있었다. 이에 KERI는 2차원 탄소나노소재인 ‘그래핀’을 활용했다. 전도성이 높고, 전기 화학적으로 안정한 그래핀은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조의 코팅층을 형성해 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 크게 완화시킬 수 있다.
KERI는 특화된 산화·환원법을 통해 높은 전도성을 갖는 고품질 그래핀을 다양한 점도(묽은 잉크부터 고농도 페이스트 형태까지)로 만들어 리튬이온전지 음극 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 ‘수(水)계 분산 기술’을 개발했었다. 이를 기반으로 한 One-step 공정으로, 코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸 보호하는 ‘코어-쉘(Core-Shell)’ 구조의 복합 음극재를 대량 생산하는 데도 성공했다.
재료도 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용해 가격 경쟁력을 확보했다. 연구팀은 시작품인 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’을 제작하고, 전기화학 특성 평가 및 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.
기술이전 이후에도 상용화를 위해 KERI는 꾸준하게 성과의 확산, 기업 현장 기술지도 및 자문 활동을 펼쳐왔다. 먼저 미국과 중국으로부터 특허를 추가적으로 받아 국제적 기술 권리를 확보했고, 연구결과는 세계적 학술지인 ‘Energy & Environmental Materials’에 논문이 게재(2025년, IF14.1, 상위 7%)됐다. 해당 논문은 상용화 가능성과 응용성을 함께 제시한 점에서 학계와 산업계 모두의 높은 관심을 받았다.
㈜JNC머트리얼즈에서도 적극적인 투자 및 협력사와의 협업을 통해 그래핀 양산화를 위한 기반을 마련했다. 충북 제천의 ‘국가첨단전략산업 이차전지 특화단지’에 입주해 최적의 생산 환경을 구축했고, KERI 원천기술을 스케일업(Scale-up)해 엔지니어링 단계(Basic->Detail)도 하나씩 밟아 나갔다. 이를 통해 지난해 국내 최초로 대규모 그래핀 양산 설비(플랜트)를 구축해 최적화하는 데 성공했으며, 현재도 지속적인 기술 고도화를 위해 KERI와 적극적인 협력을 펼쳐나가고 있다.
KERI 정승열 나노융합연구센터장은 “본 기술은 이차전지 고용량화 및 안정성 확보를 동시에 실현할 수 있는 고기능 나노소재 기반의 상용화 기술로서, 국내외 산업계와 학계로부터 기술적 완성도와 실용성을 동시에 인정받았다”며 “기술이전 후에도 복합 음극재의 양산화 기반을 마련하기 위해 우리 연구진이 꾸준한 관심을 가지고, 기업체와 협업했다”고 밝혔다. 이어 “원천기술 개발부터 상용화까지 잘 이어진 사례로, 출연(연) 기술 사업화의 성공적인 모범 사례로 손꼽힐 것”이라고 전했다.
JNC 머트리얼즈 이창근 대표는 “KERI의 혁신적인 원천기술과 긴밀한 상호 협력을 바탕으로 그래핀 양산화라는 중요한 성과를 달성할 수 있었으며, 앞으로도 꾸준한 협업을 통해 대한민국 이차전지 산업의 발전과 기술 경쟁력 강화에 기여할 수 있도록 노력하겠다”고 전했다.
한편 KERI는 향후에도 산학연 협력을 통해 핵심 요소기술을 지속적으로 개발해 ‘K-음극재’ 선도 제조기지로서의 위상을 확보하는 등 우리나라가 글로벌 전지 산업을 이끌 수 있도록 만든다는 목표다.
정동욱 부산/경남 기자 ilyo33@ilyo.co.kr