이창섭 계명대학교 화학과 교수의 행보가 화제다. 1991년 계명대학교 화학과에 부임한 이창섭 교수는 표면분석화학연구실이라는 이름으로 실험실을 연 이래로 37건의 국내외 연구과제를 수행하였으며, 136편의 논문 및 특허 실적을 냈다.

황인상 기자 his@

최근 이창섭 교수가 이끌고 있는 표면분석화학연구실은 국제적으로 에너지 분야에서 크게 이슈가 되고 있는 리튬이차전지의 차세대 전극소재를 개발하는 연구로 ‘2015년 지역혁신창의인력양성사업’ 신규과제에 선정되는 쾌거를 거두었다. 이창섭 교수를 만나 자세한 얘기를 들었다.

차세대 음극 및 양극의 핵심기술 연구

▲ 이창섭 교수

현재 전 세계적으로 에너지를 저장했다가 필요시에 사용할 수 있는 리튬이차전지의 시장은 2020년 기준으로 716억불 규모로 성장할 전망이다. 이 중 IT/Mobile 기기에 주로 사용되는 소형LIB 시장이 25%이며, 전기자동차 및 에너지저장시스템 등 중대형 이차전지의 시장이 75%로 새로운 성장기에 접어들고 있다. 이에 충전용량이 더 큰 전극소재를 개발해야 하는데 여기에 적합한 전극소재가 실리콘이다. 실리콘은 지구상에 매우 풍부하며 가격도 그리 비싸지 않은 소재다. 실리콘의 이론충전용량은 4,200mAh/g으로 탄소소재인 흑연보다 충전용량이 11배다. 그러나 실리콘도 한 가지 단점이 있다. 바로 리튬이차전지의 충·방전이 장시간 계속될 때 부피 팽창이 일어나 전지의 수명이 단축된다는 점이다. 이를 해결할 수 있는 방법이 나노-실리콘/탄소나노섬유 복합체를 음극소재로 사용하는 것이다. 이창섭 교수는 “나노-실리콘/탄소나노섬유 복합체는 화학기상증착법을 기반으로 실란류 화합물과 탄화수소를 사용하면 효과적으로 제조할 수 있으며, 이로써 실리콘의 부피 팽창 효과를 극소화하여 현재 리튬이차전지 전극소재의 문제점인 충·방전 효율의 한계와 짧은 수명, 충전 속도의 문제를 동시에 해결할 수 있다.

나아가 나노-실리콘/탄소나노섬유 복합체에 전이금속산화물을 코팅함으로써 전기전도도를 향상시키며, 전해질의 부반응을 억제하여 충전유지율을 향상시키고 아울러 전극의 수명을 연장할 수 있다”면서 “이 기술은 상용 리튬 이차전지의 에너지 밀도 및 수명을 획기적으로 증가시킬 수 있는 차세대 음극 및 양극의 핵심기술이므로, 현재 우리나라가 세계시장에서 우위를 차지하고 있는 휴대전화뿐만 아니라, 앞으로 수요가 급증할 전기자동차, 수퍼캐패시터 및 전력저장용 전지 분야의 시장에서 경쟁력을 확보하는데 큰 역할을 할 것으로 전망된다”고 설명했다. 현재 이 과제는 대구의 성서공단에 소재한 (주)엘앤에프신소재와 공동으로 수행 중이다. (주)엘앤에프신소재는 리튬이차전지 양극소재 분야에서 World top 3에 속하는 세계적인 기업으로, 현재 양극재만 생산하고 있는데, 이 기술과 역량을 계명대학교에서 개발하는 음극재에 적용한다면, 현재 국산화율이 1%에 불과한 음극재 시장에서도 앞으로 국내외에서 주도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

친환경 고성능 에너지 저장장치 원천기술 개발
이창섭 교수는 화석연료에 포함되어있는 불순물을 제거하여 청정에너지를 만드는 데 사용되는 촉매 개발, 자동차 촉매전환기용 촉매 개발, 자동차 Oil cooler용 내열 및 난연성 고무호스의 개발 및 알루미늄 엣칭부산물의 가공에 의한 고순도 알루미나 제조공법을 개발하는 연구를 수행했다. 또한 PC Color Monitor 발생 smell gas의 원인규명 및 개선대책에 대한 연구 및 디젤자동차 CDPF용 기능성 제올라이트 촉매의 개발 연구를 수행했으며, 섬유산업 공정에서 발생하는 VOCs 저감을 위한 촉매 및 제어기술 개발 및 Fuel Bladder Flexible Tank용 Self Sealant 및 Sealing System의 개발을 수행했다. 2004년 이후에는 식품위해물질 검출을 위한 나노바이오센서의 개발 및 휘발성 유기화합물 검출을 위한 가스센서의 개발과 같은 가스센서 개발 연구를 수행했으며 2010년부터는 독일의 Chemnitz 공과대학교 및 Bayreuth 대학교와 공동으로 탄소나노섬유 및 이를 응용한 이차전지 전극재료의 개발 연구를 시작했다. 지난 2012년에는 한국연구재단으로부터 ‘전이금속 촉매를 기반으로 한 탄소나노섬유의 합성 및 전극재료로의 응용’과제가 선정되어 본격적으로 탄소나노섬유에 대한 연구가 시작되었으며, 2015년 7월에 한국연구재단으로부터 현 사업이 선정됨으로써 리튬이차전지 연구에 탄력을 받았다. 이러한 연구 성과로 국내외 학술논문 111편(SCI급 48편), 특허 26건 등록, 10건을 출원하였으며, 계명대학교 우수연구교수상 2회 수상, 각종 국내외 학술대회 우수논문상을 6회 수상하는 쾌거를 거두었다.

현재 이창섭 교수가 이끌고 있는 표면분석화학연구실에서 개발하는 탄소나노섬유는 우수한 물리화학적 특성으로 우주항공 및 자동차산업, 에너지저장 및 전환분야, 각종 촉매 및 센서 분야, 전자계측분야, 전자파 및 정전기 제어분야, Heat sink 등 여러 분야에 활용되어 지역의 탄소소재 관련 기업체들의 기술력 및 매출 증대에 파급효과가 클 것으로 예상된다. 특히 고기능성 탄소소재 및 부품의 국산화 및 수입대체효과를 거둘 수 있으며, 나아가서는 탄소성장 경제에 부합하는 에너지 절감 및 친환경 고성능 에너지 저장장치 원천기술의 개발로 국가 경쟁력 강화 및 수출증대효과를 가져올 수 있다. 이창섭 교수는 “앞으로 인류는 식량, 건강 문제와 더불어 에너지 자원의 고갈로 인해 커다란 에너지 위기에 직면할 것이다. 기존의 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 기술과 에너지 저장 및 전환기술의 개발이 각광을 받을 것이다”면서 “이에 현재 진행하고 있는 나노-실리콘/탄소나노섬유 복합소재를 기반으로 한 중대형 이차전지용 음극재의 개발을 완성함으로써 협력회사인 엘앤에프신소재에서 사업화하여 양극재와 마찬가지로 음극재에서도 World top class의 세계시장점유율을 달성하도록 지원할 것”이라고 앞으로의 계획을 밝혔다. NM