[이슈메이커=임성희 기자]
국내 대학 수준에서 손꼽히는 2차전지 제작 공정시스템 보유
배터리 산업 맞춤형 인력 양성 기대
리튬이온전지 개발은 2차전지 시장의 혁신을 가져왔다. 그리고 전기자동차 시장이 열리면서 리튬이온 2차전지 기술에 획기적인 변화가 일어났다. 하지만 화재 발생 등 안전성의 문제로 기술의 한계에 봉착하며, 이 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발하고자 많은 연구자의 노력이 이어지고 있다. 심재현 동신대 교수는 플라스마로 실리콘을 합성하는 연구로 학위를 받고 미국에서 포스닥으로 연구를 지속하던 중 삼성SDI에 입사해 2차전지 관련 연구에 몸담았다. 급속충전, 양·음극 소재 관련 SCI급 논문을 30여 편 게재하며 배터리 연구에 성과를 낸 그는 2018년 동신대에 부임해 배터리 전문인력양성에 매진하고 있다.
2차전지 눈앞에서 만들어낼 수 있는 공정시스템, 학생들 실무능력 향상
심재현 교수는 삼성SDI에서의 2차전지 연구 경험을 토대로 학교에 부임해 2차전지는 물론 차세대 배터리인 전고체 전지 연구로 연구그룹을 꾸렸다. 그는 투과전자현미경을 사용하여 에너지 소재의 메커니즘 분석과 해석에 전문성이 있어 투과전자현미경을 주요 도구로 활용하고 있다. 그는 투과전자현미경을 활용하면 나노 단위에서 메커니즘을 확인할 수 있어, 배터리 성능 개선에 효과적이라고 설명했다. 2023년 포스코의 투과전자현미경(TEM)을 인계받아 이를 활용한 인력 양성이 더욱 기대되고 있다. “만든 샘플을 테스트만 하고 끝나면 다음이 없습니다. 분석해서 장단점을 파악해야, 좋은 점은 부각하고 단점은 극복한 다음 단계가 나올 수 있습니다. 투과전자현미경을 활용해 원자단위에서 분석하는 건 정말 좋은 방법이며 본인이 만든 소재를 직접 파악하고 분석하면 훨씬 연구에 도움이 되고 집중력도 높아집니다” 부임에서부터 지금까지 연구와 인력 양성에 매진해 온 그는 한 가지 아쉬운 점을 토로했는데 바로 학교가 위치한 나주를 비롯한 전남지역에 2차전지 업체가 다른 지역에 비해 부족한 것이다. “산학협력을 통해 학생들의 현장감을 높이고, 업체는 바로 업무에 투입할 수 있는 인재를 충원하고 학교 단위에서의 연구를 산업체와 협업하며 산업화 가능성 등을 확인하는 선순환이 일어나야 하는데 그런 인프라가 부족한 게 아쉬웠습니다” 그래서 직접 스타트업인 ㈜에이치이엠씨를 대학에 유치해 인큐베이팅하며 산학협력을 진행하고 있기도 하다. 그의 연구그룹의 가장 큰 장점은 국내 대학 수준에서 최고로 손꼽히는 2차전지 제작 공정을 보유하고 있다는 것이다. “제가 산업체에 있으면서 제일 아쉬웠던 부분이 소재를 연구하고 개발해서 코인 셀을 만들어 테스트하면 정말 좋은 성능이 나오지만, 이걸 실제 사용할 수 있는 규모의 큰 셀로 만들면 반드시 문제가 발생한다는 것이었습니다. 학교 단위에서는 코인 셀 정도밖에 못 만드니, 실용성과 산업화를 가늠하기 힘듭니다. 이걸 극복하기 위해 실제 산업체에서 활용하는 파일럿(시범) 타입의 큰 전지를 만드는 장비를 갖추기 시작했습니다”라며 그는 “지역대학으로서 동신대가 살아남기 위해서는 연구집중보다는 현장 맞춤형 교육이 필요하다고 생각했습니다. 전지를 만드는 회사 파일럿(시범) 양산공정에서 활약할 수 있는 엔지니어를 키워내고 싶었습니다. 비용은 많이 들었지만, 장비를 구축해 학생들의 실력을 키웠고, 바로 현장에 투입될 수 있어 기업체 반응도 좋습니다”라고 밝혔다.
“2차전지 파일럿 양산공정을 그대로 갖춰, 현장 맞춤형 교육을 진행하고 있습니다. 실무경험을 쌓은 학생들은 현장에서 환영받는 엔지니어로 성장합니다”
실리콘을 음극재로 사용한 차세대 전고체 전지 연구
학교에 부임해왔을 때 그가 지역에서 찾을 수 있는 배터리업체가 전고체 전지 전문 업체였다. 그렇게 자연스럽게 차세대 전고체 전지 연구도 수행하게 된 그는 최근 좋은 성과로 주목받았다. 리튬이온 배터리 기술의 한계를 극복한 대표적인 대상이 바로 전고체배터리 기술이다. 전해질과 분리막 기반의 리튬이온 배터리 기술의 가장 큰 문제점은 분리막이 손상돼 양극과 음극의 접촉으로 인하여 화재가 발생하는 등 안전사고 발생 가능성이 있다는 것이다. 전고체 전지는 지금의 리튬이온 배터리 기술의 근간은 유지하되 전해질(액체)을 고체로 바꿔 단점을 극복하고자 하는 기술이다. 심 교수는 고체전해질로 실용적이고 보편적으로 사용할 수 있는 산화물계를 활용한다. 최근 그의 연구그룹이 페로브스카이트 산화물 고체 전해질(Li3xLa2/3‑xTiO3 (LLTO))에서 발견되는 산소 빈자리(V₀)가 리튬 이온전도성에 미치는 영향을 규명하고, 이를 통해 전해질의 성능을 극대화하는 방법을 제시했다. “산화물계가 황화물계에 비해서 가격은 낮지만, 이온전도성이 낮다는 단점이 있는데, 리튬이온 전도성이 황화물계와 같은 수준이 된다면 산화물계가 유리하다고 판단되어, 이온전도성을 높일 수 있는 방법을 찾고자 물질 구성 원자 배열 상태나 결함에 관해 연구를 진행했습니다” 또한, 그는 최종적으로 실리콘 음극 소재의 전고체 전지 개발을 추구하는데 그 성과로 가는 연구 과정 중 하나로 인정받고 있다. “저는 연구주제를 정할 때도 학생들이 취업에 유리한 주제를 정하려고 합니다. 실제로 현장에 나가야 하는 사람은 학생이기에 학생들을 현장에서 환영받을 수 있는 엔지니어로 성장시키는 것이 제 목적입니다”라며 심 교수는 “현재의 전지 내 음극은 흑연을 사용하는데 흑연은 용량이 작아서 전기차 같은데 활용하려면 용량이 큰 물질을 사용하여 에너지 밀도를 높일 필요성이 있습니다. 현재 주목받는 물질이 실리콘 소재이며, 제가 실리콘 나노크리스탈 합성으로 학위를 받았기에 실리콘은 저의 전문영역입니다. 이렇게 실리콘 음극재를 개발하고, 산화물계 전해질을 개발해 전지 시스템에 적용하면 차세대 전지인 고용량/고안전성 전고체 전지가 탄생하게 됩니다. 제가 은퇴할 때까지 실리콘 음극재 기반의 전고체 전지를 만들어 낼 수 있을지 모르지만, 현재는 최선을 다해 연구에 매진하고 있습니다”라고 설명했다.
현장에서 환영받는 배터리 엔지니어로 성장시키기 위해 노력
심 교수는 학생들이 지역대학이라는 한계에 자신감이 매우 낮다며 이를 해소하고자 해외학회에 참가한다고 밝혔다. “처음에는 학생들이 학회 참석에 부담스러워했으나, 해외학회에 참가해 해외 연구자나 학생들과 교류하면서 자신감을 얻는 모습을 발견하게 됩니다. 그러면 동기부여가 돼서 연구에 흥미를 느끼며 성과를 냅니다. 학생들과 자주 소통하며 연구주제를 찾아주려 노력합니다”라며 덧붙여 그는 “저는 딱 두 가지를 강조하는데 성실함과 소통입니다. 저는 성실하면 어떤 실수라도 받아주는 편입니다. 그리고 잘했든 잘못했든 항상 소통하면서 더 성장할 수 있는 발판을 마련하라고 이야기합니다”라고 강조했다.
인터뷰를 끝마치며 심재현 교수는 지역에 인구가 줄고 더 나아가 학생 수가 줄고 있다는 것에 우려를 표했다. “지역의 대학이 중심을 잡아야 하고 그런 점에서 저의 역할이 있다고 생각합니다. 지역에서 우수한 인재를 양성하면 그것이 지역을 위한 봉사가 아닐까요? 배터리산업과 대한민국에 이바지할 수 있는 엔지니어를 양성할 수 있다면, 그보다 더 좋은 일은 없을 것 같습니다”
그와 인터뷰하며 기자는 배터리 산업 전반을 마치 눈으로 들여다본 듯 생생하고 깔끔하게 요약된 요약집을 접한 기분이었다. 일목요연하게 설명할 수 있을 만큼 그의 수준이 깊고 넓다고 생각했다. 그리고 기자에게 배터리 공정시스템을 소개해주며 직접 만든 실물 크기의 배터리 셀도 보여줬다. 테슬라 전기차에 들어가는 셀과 현대 전기차에 들어가는 배터리 셀을 각기 보여주며 그 장단점도 설명해줬다. 그만큼 현장감이 넘치는 그의 설명이 학생들에게도 전해지리라 생각해본다. 학생들의 흥미를 유발하고 바로 현장에 적응할 수 있는 능력을 키워주기 위해 노력하는 그의 노고가 전해졌다. 앞으로 전고체 전지 분야 연구성과에서 심재현 교수 이름이 많이 보이길 기대해본다.
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