과학자들은 때때로 자연에서 첨단 소재를 찾는다. 강철로 만든 줄보다 훨씬 질긴 거미줄이 대표적이다. 수 억 년 이상의 진화를 겪으며 만들어진 자연물질이 웬만한 인공물질보다 훨씬 기능적이면서도 안정적이기 때문이다. 세종대 명승택 교수 연구팀이 최근 인체의 뼈를 모방한 소재를 적용해 기존의 단점을 크게 개선한 나트륨이차전지용 양극소재 개발에 성공한 것도 그랬다.

나트륨이차전지는 현재 많이 사용하는 리튬이차전지를 대체할 것으로 주목받는 이차전지다. 리튬이 희소한 자원이어서 값이 비싼 단점 때문이다. 지구 물질 중 부존량이 여섯 번째로 많은 나트륨을 이용하면서 효율과 안정성을 높여 상용화 하기 위한 연구가 활발하다. 특히 전지의 성능을 좌우하는 양극소재가 층상구조(P2)여서 불안정하다는 한계가 있어 개선 방법이 필요했다. 

세종대 교수팀은 연구에서 접목할 수 있는 소재를 찾기 위해 고심을 거듭했다. 의학과 기타 여러 분야의 소재에 대한 연구결과들을 살펴보면서 특성이 뛰어난 소재들을 선별해 나갔다. 

과연 명승택 교수 연구팀은 적합한 소재를 어떻게 찾아냈을까. 연구를 실질적으로 이끈 조창흠 학생(나노신소재공학과)은 7일 "양극소재에 적용이 가능한 몇 가지 소재들을 검토하던 중 인체의 뼈 소재가 유용하게 적용될 수 있음을 발견하고, 이런 가정 아래 실험을 이어갔다"며 "뼈 소재의 단단하고도 이온 전달에 유용한 특성에 주목했다"고 말했다.

연구팀은 에탄올에 뼈 소재 원료와 층상구조 양극소재를 섞어 80℃의 온도에서 증발시켰다. 이어 열처리 과정을 통해 양극소재 표면에 뼈 소재 원료를 치밀하게 부착했다. 그 결과 단단한 뼈 소재가 입자의 분해 현상을 표면에서 방지하고, 전해질에 포함된 물이나 산성 물질과 먼저 반응해 양극소재가 피해를 보는 현상을 최소화 함을 확인했다. 나트륨이차전지의 전기화학적 성능을 약 40% 향상시키는 획기적인 결과가 나왔다. 

“양극소재 표면에 정확하게 뼈 재료가 적용됐는지 확인이 어려웠습니다. 뼈 물질만 따로 모의실험을 통해 확인한 후, 뼈 재료가 생성되는 최적의 조건을 확보했습니다. 이후 소재에 적용해 특성이 향상된 소재를 얻을 수 있었어요.”

조 씨의 설명처럼 연구 과정은 쉽지 않았다. 어렵게 소재를 찾아냈더라도 이를 실제로 적용하는 것은 또 다른 문제였다.

명 교수팀이 새로운 양극소재를 개발함으로써 나트륨이차전지의 상용화를 앞당길 수 있는 기반이 마련됐다. 전기차 등에 사용되면서 신성장산업의 하나로 주목 받는 이차전지 개발에 적지않은 영향을 줄 것이라는 평가가 나온다. 조 씨는 이번 기술의 적용 범위와 관련해 “P2 소재 뿐 아니라 다른 나트륨이차전지용 양극소재에도 적용할 수 있을 것"이며 "나트륨이차전지 이외의 분야에서도 인체 소재 적용이 확대될 것"이라고 했다. 조씨는 향후 계획에 대해서는 "차세대 이차전지 관련 연구를 계속해 상용화 하는 게 목표"라고 했다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

Copyright ⓒ 썩세스경제