[Weekly 신기술 및 정책소식] 전기차 대세 'LFP 배터리' 약점 재활용 길 찾았다

◇ 한국세라믹기술원, 전기차 주행거리 확장에 나선다

한국세라믹기술원(KICET)은 차세대 전고체 배터리의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 혁신적인 전극 제조 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

정대수 박사 연구팀은 ‘글리터 케이크(Glitter-cake)’ 형태의 코어-쉘(Core-Shell) 구조를 적용한 혁신적인 전극 설계 기술을 개발해 전고체 배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시키는데 성공했다.

'코어-쉘 구조'는 활물질(코어)을 고체 전해질(쉘)이 균일하게 감싸는 형태로 설계된 구조로 전기화학적 성능 향상 및 안정성 증대를 목표로 하고있다.

해당 구조는 얇은 고체 전해질 층을 통해 리튬 이온 및 전자의 이동을 최적화하며 높은 활물질 함량(85wt%)에서도 1258 Wh L⁻¹에 달하는 우수한 에너지 밀도를 구현했다.

◇ 전기차 대세 'LFP 배터리' 약점 재활용 길 찾았다

한국원자력연구원(원자력연)은 김형섭 중성자과학부 책임연구원팀이 리튬이온 배터리보다 가격이 저렴하고 안전한 LFP 배터리를 경제적이고 친환경적으로 재활용할 수 있는 새로운 공정 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

LFP 배터리의 약점은 재활용이 어렵다는 점이다. LFP 배터리를 기존의 배터리 재활용 방식인 산성 용액으로 처리하면 높은 비용 대비 회수할 수 있는 원료가 리튬(Li)밖에 없어 경제성이 떨어진다. 다량의 폐산성 용액이 발생해 환경 오염 문제도 있었다. 

김 연구원팀은 염소 기체를 활용해 LFP 배터리의 양극 소재를 경제적이고 친환경적으로 추출하는 공정을 개발했다. LFP 폐배터리를 분해하면 나오는 분말 형태의 양극 소재를 염소 기체와 200℃에서 10분간 반응시키면 리튬이 염화리튬 형태로 추출된다. 염화리튬은 상용화된 기존 변환 공정을 통해 탄산리튬이나 수산화리튬으로 전환해 새로운 LFP 배터리의 양극 소재 합성 원료로 다시 사용할 수 있다.

◇ 초고해상도 OLED 마이크로디스플레이 '픽셀 간섭' 난제 풀었다

한국연구재단은 한양대 김도환 교수, 연세대 조정호 교수, 서강대 강문성 교수 공동 연구팀이 고밀도의 픽셀(화면의 최소 단위)에서도 선명한 화질을 구현할 수 있는 유기발광다이오드(OLED) 마이크로디스플레이 핵심 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

OLED 해상도 증가로 픽셀 간 거리가 수 ㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 수준으로 가까워지면서 전기적 신호 간섭이 발생하고, 이로 인해 색영역·색순도가 감소한다는 문제가 있다.

연구팀은 10000ppi(인치 당 픽셀 수) 이상의 초미세 패턴이 가능한 유기반도체 정공전달층 소재를 개발, 고밀도 픽셀 환경에서도 신호 간섭 없는 고해상도 OLED 소자를 구현해 냈다. 

이어 포토리소그래피(빛을 이용해 회로 패턴을 새겨 넣는 공정) 기술을 이용해 6인치 실리콘 웨이퍼(기판) 위에 대면적 스케일로 구현하는 데 성공했다.

◇ 부산대 연구팀, 3D 바이오프린팅 인공지방피부 재생효과 입증

부산대 연구팀이 모듈식 3D 바이오프린팅을 활용해 내분비 활성 지방 조직과 피부 조직을 결합하는 기술 개발에 성공했다.

10일 부산대에 따르면 의생명융합공학부 김병수 교수 연구팀이 3D 바이오프린팅 기술을 활용한 내분비성 지방 조직 조립을 통해 피부 재생을 촉진하는 연구 성과를 발표했다.

연구팀은 지방 조직의 내분비 기능을 유지하면서도 다양한 조직과 결합할 수 있는 조립 기술을 개발하고, 이를 활용해 피부 재생을 촉진하는 연구를 진행했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 내분비 기능을 갖춘 지방 조직을 3D 바이오프린팅을 이용해 제작하고, 이를 피부 조직과 정밀하게 결합하는 어셈블리 전략이 기존 조직 공학적 접근법보다 더 빠르고 효율적인 재생 효과를 나타낸다는 사실을 밝혔다.

◇ 아주대 연구팀, 안정성 강화 ‘리튬산소배터리’ 기술 개발

새로운 산화·환원 매개체를 개발해 차세대 리튬배터리의 성능 저하를 억제하고 안정성을 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

12일 아주대에 따르면 이 대학 서성은 교수(화학과)가 참여한 공동 연구팀은 최근 이 같은 내용의 연구 결과를 화학 분야 저명 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 1월호에 게재했다. 

리튬산소배터리는 음극재로 리튬을, 양극재로 공기를 이용하는 게 기존 배터리와의 차이점이다. 구조가 비슷하지만 무게가 가볍고 10배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다. 외부 공기를 통해 산소를 계속 보충할 수 있어 충전 후 더 오래 사용할 수 있다.

다만 충·방전이 반복될수록 방전 과정 중 생성된 과산화리튬이 공기극의 기공을 막아 실제 반응 가능 면적이 감소하고 충전 과정에서 과산화리튬을 분해하면서 높은 과전압이 발생하는 단점이 있다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 스스로 산화·환원하며 과산화리튬을 분해하는 매개체를 활용, 과전압을 낮추고 리튬과산화물의 효율적 분해를 촉진했다.

◇ "바닷물로 깨끗한 물 만든다"…포스텍, 회전형 담수화 장치 개발

포스텍(포항공과대학교)은 화학공학과 전상민 교수와 최지훈 박사 연구팀이 태양열과 바람을 활용해 바닷물로 깨끗한 물을 만들 수 있는 회전형 3D 태양열 증발기를 개발했다고 14일 밝혔다.

연구팀이 개발한 회전형 3D 태양열 증발기는 광열소재인 폴리피롤을 원통형 멜라민 폼 위에 직접 중합하는 방식으로 제작됐다. 

증발기는 자체 회전을 통해 주변 공기의 흐름을 유도해 태양열 외에 추가로 자연 에너지를 흡수하고 수증기의 축적을 방지해 증발을 촉진하는 역할을 한다. 실험 결과 이 시스템은 회전하지 않는 기존 고정형 3D 시스템에 비해 증발 속도가 17% 증가했으며, 담수 생산량이 76% 증가했다.

◇ 건국대, 차세대 태양광발전 '유기태양전지' 효율 높인다

건국대는 화학공학부 문두경 교수 연구팀이 유기태양전지 모듈에서 발생하는 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

대량생산이 가능한 유기태양전지는 가볍고 유연한 특성이 있어 차세대 태양광발전기술로 주목받고 있다. 그러나 상용화를 위해 큰 면적으로 확대하면 효율이 급격히 감소하는 문제가 있었다. 

효율 저하의 원인은 비균질한 박막과 전하 이동 경로의 불균일성이었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 광활성층의 사전응집 제어기법을 활용했다.

이들은 고분자 사슬얽힘 효과를 유도해 균일한 박막 구조를 형성하고 전하 이동 경로를 최적화할 수 있었다. 최적화된 대면적 모듈은 13.49%라는 높은 효율을 보였다.

◇ GIST, 거대언어모델 추론 능력 정량적 평가 방법 개발

광주과학기술원(GIST)은 AI융합학과 김선동 교수 연구팀이 거대언어모델(LLM)의 추론 능력을 정량적으로 측정할 수 있는 새로운 프레임워크를 개발했다고 13일 밝혔다.

연구팀은 인간의 인지 과정이 '사고 언어'로 매개된다는 인지심리학의 ‘사고 언어 가설’을 기반으로 LLM의 추론 과정을 평가하는 방법을 제시했다.

연구팀은 가설에 따라 인간의 추론 과정인 △논리적 일관성 △구성성 △생성성의 세 가지 특징에 초점을 맞춰 LLM의 추론 및 문맥 이해 능력을 평가하는 새로운 접근 방식을 도출했다.

연구 결과 LLM의 추론 능력은 논리적 일관성 부문에서 증강(변형) 문제에 대해 평균 18.2%의 정확도를, 구성성 부문에서 조합 과제에 대해 5~15%의 정확도를, 생성성 부문에서는 17.12%의 생성 타당도를 보였다.

◇ "연료 없이 우주 항행" 항우硏, 우주선 태양 돛 개발

한국항공우주연구원은 연료 없이 태양풍을 동력으로 항행할 수 있는 우주 범선용 돛을 개발했다고 13일 밝혔다. 

천이진 박사 연구팀이 개발한 태양 돛은 마치 돛단배가 바람을 이용해 항해하는 것처럼, 태양이 방출하는 광자를 돛에 반사하는 원리로 추진력을 얻는다. 우주선에 적용해 별도의 연료 없이 장기간 우주 공간을 항행할 수 있다. 

돛 시제품은 가로, 세로 각각 10ｍ 크기로, 지난해 4월 미국 항공우주국(NASA)이 발사한 큐브위성 'ACS3'에 적용된 가로·세로 각 9ｍ 크기 돛보다 크다.