세상을 이롭게 하는 기술

유승준 신소재공학부 교수와 홍석원 화학과 교수 공동연구팀은 레독스 활성 유기분자 성능을 크게 향상시키는 전해질을 개발, 고용량·고출력 레독스 전지를 구현했다.
연구 내용은 전기화학 및 에너지 분야의 국제 저명 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’에 게재됐다.
레독스 전지는 현재 폭발 위험이 있는 배터리를 대체하는 기술로 주목받고 있는 분야다.
세상을 이롭게 만들기 위한 GIST의 도전을 만나 보자.

연구분야인 ‘레독스 전지’의 개념에 대해 소개 부탁드리겠습니다. 레독스 전지가 주목받고 있는 이유와 레독스 전지의 원리, 장점, 그리고 한계 등은 무엇인지요?

유승준 교수(이하 유승준) 레독스는 환원과 산화의 화학반응을 통칭하는 용어로, 레독스 전지는 액체 전해질에 녹아있는 ‘레독스’ 활성 물질이 산화-환원의 화학반응을 일으키며 전기를 저장하고 방출하는 전지를 말합니다. 특히, 수계 전해질 기반의 레독스 전지는 안정한 물을 전해액으로 사용하기 때문에 현재 문제가 되는 배터리 과열로 인한 화재와 폭발위험을 원천적으로 차단할 수 있습니다. 현재 개선되어야 하는 문제로는 물에서의 레독스 활성 물질의 용해도를 높이고, 전지의 수명과 용량을 증가시키는 것 등이 있습니다.

연구진에서는 ‘레독스 전지’ 전해질에 대해 관심을 가진 이유가 있을 듯 합니다. 특히 화학과 신소재공학이라는 융합연구까지 하신 이유가 있을 듯합니다. 특별한 계기라든가 아이디어가 나온 과정이 있을 듯 합니다.

유승준  저는 박사과정에서 전기를 이용하는 유기합성법을 공부하면서 레독스 반응을 할 수 있는 유기물을 전기화학에 사용하는 연구를 수행하였습니다. 포닥 과정에서는 에너지저장시스템 개발로 연구의 스펙트럼을 확장하였고, 그 과정에서 레독스 전지라는 새로운 플랫폼의 에너지저장시스템 개발에 관심을 가지게 되었습니다. 레독스 활성 유기분자를 에너지원으로 사용하는 레독스 전지는, 다양한 (유기)합성법과 분자 구조 디자인을 통해, 용해도와 전기화학적 레독스 전위를 조절할 수 있어, 향후 발전 가능성이 높은 시스템입니다. 이번 연구에서 화학과의 홍석원 교수님 연구팀과 협업을 통하여 기존 유기물 기반 레독스 전지의 한계를 극복할 수 있는 소재를 개발하였습니다.

연구가 ‘하이드로트로프의 용질 용해도 향상 메커니즘 규명을 통해 레독스 전지에 최적화된 하이드로트로프를 개발하셨다고 알려져 있습니다. 하이드로트로프 액션 메커니즘은 무엇이며 그에 따라 레독스 전지에 적합한 하이드로트로프는 어떻게 선택되는 것인가요?

유승준  하이드로트로프는 양친성을 띄는 작은 분자량을 가지는 물질로, 기존의 계면활성제와는 다르게 함께 사용되는 용질, 용매의 종류에 따라 다양한 구조 형성과 기능(예를 들면, 용질의 용해도 증가)을 가진다고 알려져 있습니다. 저희 연구는 높은 이온전도도를 유도하는 술폰산(Sulfonicacid) 작용기를 가지는 하이드로트로프가, 레독스 전지에 이용되는 대표적인 레독스 물질군인 퀴논(Quinone)을 용해시킬 때, 퀴논에 부착된 작용기(Functional group)에 따라, 공융매(Co-solubilizer) 메커니즘과 쿼지마이셸(Qusi-micelle) 메커니즘으로 분화되어 작용한다는 것을 밝혀 내었습니다. 특별히 메커니즘 분석을 통해, 분자 간 핵오버하우저 효과가 사용되었습니다. 핵오버하우저 효과는, 스핀이 쌍극자 상호작용(Dipoledipole intereaction)을 통해 원자 사이를 이동하는 효과이며, 거리에 따라 반비례하는 성질이 있습니다. 이를 이용해, 용액 내 용질-하이드로트로프의 수소 원자 간의 거리를 측정하여, 공융매(Co-solubilizer) 메커니즘에서는 하이드로트로프가 용질의 용매화 구조 내에서 나노미터 이하의 구조를 형성하여 용질의 용해도를 향상시키며, 쿼지마이셸(Qusimicelle)메커니즘에서는 비정형의 나노구조를 형성하여, 용해도를 향상 시키는 것을 규명하였습니다.
이를 바탕으로, 공융매의 메커니즘이 작용할 경우, 용질-하이드로프 간 상호작용이 클수록 용해도가 증가하므로, 하이드로트로프의 소수성기가 가장 큰 물질이 레독스 전지에 최적화되었으며. 쿼지마이셸(Qusimicelle)메커니즘이 작용할 경우, 하이드로트로프의 소수성기의 큰 크기가, 오히려 쿼지마이셸의 불안정성을 유도하여, 스크리닝을 통하여 적합한 크기의 소수성기를 가지는 하이드로트로프가 레독스 전지에 최적화됨을 확인하였습니다.

이러한 연구에 따라 최적화된 전해액으로 레독스 전지의 효율이 어느 정도가 될까요? 구체적으로 현재 상용화되고 있는 전지와 비교해 주셨으면 좋겠습니다.

유승준  저희가 만든 하이드로트로프 지지전해질을 사용하면 레독스 전지에 사용하는 기존 유기분자의 용해도를 최대 6배 이상 향상시킬 수 있습니다. 레독스 전지의 에너지 용량은 레독스 물질의 용해도와 직접적인 상관관계가 있기 때문에, 이번 전해질 소재 개발을 통하여 고용량 레독스전지 구현이 가능하며 향후 상용화 시스템의 개발로도 이어질 수 있을 것이라 전망합니다.

연구 과정에 대해 설명 부탁드리겠습니다. 시작은 언제 이뤄졌는지, 연구 분담은 어떻게 진행되었는지, 연구 과정과 결과는 어떻게 나왔는지 등에 대해 설명 부탁드립니다.

변진환 화학과 박사과정(이하 변진한) 레독스 전지의 고질적 문제점 중의 하나인 레독스 용질의 용해도를 높이는 것을 목표로 연구를 시작하였습니다. 여러 분자 구조 등을 탐색하면서 최적화를 진행하였지만, 초기에는 저희가 원하는 수준의 용해도에 도달하지 못하는 문제가 있었습니다.
여러 아이디어를 가지고 시작하였지만 계속된 실패로 포기하려던 찰나, 그 당시 석사 과정이던 고진혁 학생이 마지막으로 해 보자고 한 물질이 있었습니다. 당시에는 몰랐지만, 시도한 결과 하이드로트로프 효과로 용질의 용해도를 향상시키는 것을 관측하였습니다. 이를 분석하기 위해, 저는 두 교수님의 지도를 받으면서 전반적인 물질 합성 및 몇몇 물리화학자들에 의해 이루어지던, 용매-용질 분자 간 핵오버하우저 효과가 이론적으로, 하이드로트로프-용질 분자 간에서도 가능함을 발견하여 저희 연구에 적용하였습니다.

고진혁 신소재공학부 석사과정(이하 고진혁) 처음에는용 매의종 류비 ,율선정부터 시작해서 여러 가지 시행착오가 있었지만 최종적으로는 하이드로트로프라는 레독스 물질의 수계에서의 용해도를 크게 증가시킬 수 있는 핵심 물질에 대한 연구로 발전해서 유의미한 성과를 낼 수 있었습니다. 연구 분담의 경우 제가 전기·화학 쪽을 주로 맡았고 화학 분석 관련해서는 변진환 박사님이 메인으로 맡아주셨는데 서로 이야기도 잘 통하고 호흡도 잘 맞아서 연구가 긍정적인 방향으로 스노우 볼을 굴릴 수 있었던 것 같습니다. 특히 하이드로트로프의 용해도 증가 메커니즘을 밝히기 위한 화학적 분석들 관련해서는 변진환 박사님에게 많은 조언과 인사이트를 얻을 수 있었습니다. 최종적으로 용해도를 실제로 증가시켜서 셀 성능을 향상 시켰고 이에 대한 원인까지 규명하면서 연구의 질을 크게 높일 수 있었다고 생각합니다.

연구 결과 발표와 등재 이후에 추가적인 연구가 이뤄지고 있다면 말씀 부탁드립니다.

유승준  현재 다른 분자구조를 가지는 레독스 유기물의 용해도를 기존 문헌보고에서 나온 수치보다 향상시키고 이를 에너지저장시스템에 적용하는 연구를 지속적으로 수행하고 있습니다.

발표 이후의 소회라고 할까요? 보람이라든지, 아쉬웠던 점이 있을 듯 합니다.

변진환  학부를 졸업할 때에는 연구가 한 사람의 창의적인 생각과 영감으로 이루어진다고 믿고 있었습니다. 그러나 연구를 배우며 진행함에 따라, 그것이 정말 오만한 생각이란 것을 깨달았습니다. 저 혼자만의 생각이 실패하고 오히려 생각하지 못한 곳에서 새로운 발견이 이루어지는 것을 목도하면서, 겸손함과 다른 사람들과 같이 협업할 수 있는 자세가 연구에서 무엇보다 중요한 덕목이란 것을 알게 되었습니다. 이걸 좀 더 빨리 깨달았으면 하는 아쉬움이 있지만, 이제라도 깨달았다는 보람이 있습니다.

고진혁  학부 때 인턴으로 시작해서 홍석원 교수님, 변진환 박사님, 유승준 교수님 순으로 인연을 맺게 되었는데 이러한 좋은 인연들을 토대로 대략 3년간의 노력을 통해 결국 좋은 학술지에 기재할 수 있게 되어서 정말로 큰 성취감을 얻을 수 있었습니다. 아쉬웠던 점이라면 석사 기간 동안 좀 더 도전적으로 다양한 실험이나 경험을 해보지 못했던 것입니다. 이러한 성취와 성찰을 통해서 점점 더 성장하는 자신을 마주하고 싶다는 생각이 듭니다.

앞으로의 이번 연구 기술의 활용 분야라든지 발전 방향이 있을 듯합니다.

유승준  이번 연구 성과로 레독스 활성 유기분자의 고질적인 한계인 낮은 용해도를 향상할 수 있게 되어, 고용량·고출력 레독스 전지 개발뿐만 아니라 다양한 분자 구조의 에너지 저장원 개발에도 성과가 있을 것으로 기대됩니다. 향후 액체를 에너지 저장원으로 사용하는 장점을 활용해 ESS 대형화와 같은 응용기술 개발에 도움이 될 것으로 전망됩니다. 또한 저희가 시도한 분자 간 핵오버하우저 측정법이 앞으로 다양한 물리화학, 에너지 연구의 응용 분야에서 중요한 분석법으로 자리잡을 수 있을 것으로 전망합니다.

앞으로 연구진 혹은 연구자 개인적인 연구 계획(방향)이 있을 듯합니다.

유승준  저의 개인적인 연구 계획은 앞으로 지속적으로 사회에 공헌할 수 있는(World-changing), 양보다는 질적으로 인정받을 수 있는(Worldleading), 과학과 기술을 공부하고 개발하는 것입니다. 유기화학과 전기화학의 기초학문을 바탕으로 기존의 유기, 물에 기반한 전해질을 뛰어넘는 차세대 전해질 소재를 개발하고, 이 소재를 다양한 에너지저장시스템에 적용하여 고성능의 에너지저장 플랫폼을 만들고자 합니다. 또한 이 과정에서 학생들과 연구자들이 의미 있고 가치 있는 커리어를 만들어 나갈 수 있도록 생산적인 교육적 환경을 제공하고 싶습니다.

마지막으로 개인적인 바람이라든지, 학생들이나 연구자들에게 하고 싶은 이야기 등도 좋습니다.

유승준  미국에서 학위를 하면서 “Shoot for the moon. Even if you miss, you will land among the stars.”라는 문장을 마음에 새기고 있었습니다. 다음 세대의 학생들도 크게 생각하고 행동할 수 있는 목표를 세우기를 바라며, 나아가서는 그 꿈을 이루기 위한 과정에서 보람과 깨달음을 얻을 수 있기를 희망합니다.