<사진 / 룰로오스 나노섬유의 형태 및 화학구조>

  국립산림과학원(원장 구길본)이 나무의 화학적 주성분인 셀룰로오스에서 리튬이온 전지의 핵심소재인 분리막을 얻어내는 방법을 세계 최초로 개발했다. 이 연구 성과는 세계적 권위를 인정받는 국제 학술지에 게재됐다. 친환경 소재로 분리막을 만드는 원천기술인 이 연구의 성과가 상용화 되면 우리나라는 1조2000억원 규모에 달하는 세계 리튬이온 2차전지 분리막 시장에서 엄청난 대체효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

국립산림과학원의 임산가공 분야 전문가인 이선영 박사(45)는 나무에서 추출한 다공성 셀룰로오스 나노섬유로 리튬이온전지 분리막을 만드는 데 성공했다. 현재 대부분의 리튬이온전지 분리막은 석유계 올레핀 수지인 다공성 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 사용하고 있다. 이 연구 성과를 담은 논문은 지난달 말 영국왕립화학회가 발행하는 ‘저널오브머티어리얼스케미스트리’에 실렸다.

이 박사가 강원대학교 화학공학과 이상영 교수팀과 공동으로 수행한 이 연구는 나무에서 쉽게 얻을 수 있는 친환경 재료를 활용해 분리막을 만들었다는 데서 과학적 측면에서도 큰 의의가 있는 것으로 평가받고 있다.


<사진 / 셀룰로오스 나노종이 분리막의 LED 라이트 시연>
 

이 박사팀은 셀룰로오스를 기계적 방법을 이용해 변화시킨 나노 크기의 셀룰로오스 섬유(직경 20-30 나노미터)에서 유기용매와 물의 배합비 및 두께를 조절해 다공성 셀룰로오스 나노종이 분리막을 개발했다. 셀룰로오스 나노종이 분리막은 리튬이온 전도도가 우수하고 전기화학적 안정성이 있어 고온에서 수축현상이 일어나지 않는다.

또 전해액의 이온투과 정도가 매우 활발해 극성에 관계없이 다양한 종류의 전해액(비극성 및 극성)을 사용할 수 있다. 이 분리막은 이런 특징 때문에 충전과 방전 때 우수한 전지특성을 나타내므로 이것을 써서 고품질의 리튬이온 전지를 만들어낼 수 있다.

 2012년 현재 리튬이온전지의 핵심소재인 분리막의 세계시장 규모는 1조2000억원에 이르는 것으로 추산되는데 그 중 대부분의 분리막 재료가 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이다. 이 분야 세계시장은 24%를 점유한 미국의 셀가드의 뒤를 이어 일본 아사히, 미국 토넨, 한국 SK이노베이션, 일본 우베 등이 각축을 벌이는 상태다. 따라서 셀룰로오스 분리막을 이용한 리튬이온 2차전지가 나오면 이 분야 시장 구도도 크게 변화할 것으로 보인다.

이번 연구를 주도한 이선영 박사는 “나무 성분의 40~50%를 차지하는 셀룰로오스는 지구상에서 가장 많이 분포하고 있는 바이오고분자로 셀룰로오스 나노섬유는 세계적으로 전기ㆍ전자재료, 생체의학재료, 나노복합재료 등 첨단 신소재 개발에 활발히 이용되고 있다”며 “나노셀룰로오스를 활용해 초대용량 전극소재, 리튬이온전지 음극소재의 기판 등  다양한 용도로 이용하는 연구를 계속 하겠다”고 밝혔다.

<사진 / 이선영 박사>