[한스경제=김동용 기자] 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀과 금오공대 신소재공학부 박철민 교수팀이 전고체전지 상용화를 앞당길 수 있는 ‘고체전해질용(아지로다이트 계열) 황화실리콘(SiS2) 저가 제조기술’을 개발했다. 그 외 20일 에너지공기업 이슈를 살펴봤다. 

◆하윤철 박사 및 박철민 교수팀, 높은 반응온도에서의 황의 증기압 상승 난제 극복

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌, 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다. 그러나 제조공정 및 양산화의 어려움, 높은 단가 등 상용화까지 해결해야 할 많은 과제를 안고 있어 전 세계적으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있고, KERI에서도 여러 성과를 이뤄냈다.

이번에 하윤철 박사팀이 주목한 소재는 황화실리콘이다. 전고체전지용 고체전해질에 황화실리콘(SiS2)을 첨가하면 이온 전도도 및 수분 안정성(moisture stability)을 향상시킬 수 있다는 것은 학계에서 널리 알려진 사실이다. 하지만 황과 실리콘의 합성 과정에서 높은 반응온도가 필요하고, 이에 따른 황의 증기압이 너무 커지는 문제가 발생하는 등 황화실리콘의 제조를 위한 공정 난이도가 매우 높다. 이러한 이유로 황화실리콘은 현재 가격이 20그램(g)당 약 170만원에 달할 정도로 비싸다. 

KERI의 성과는 황화실리콘 제조를 위한 최적 공정 기술을 개발하고, 이를 전고체전지용 고체전해질에 적용할 수 있는 발판을 마련한 것이다. 연구팀은 황과 실리콘의 배치를 최적화해 합성 조건을 확립하고, 800도의 높은 반응온도에서도 황의 기화에 따른 증기압을 버틸 수 있는 완벽한 밀폐 환경을 구현하는 데 성공했다. 결과물도 상용 제품의 품질과 대등했다. 연구팀은 만들어진 황화실리콘을 고체전해질 제조에 활용했고, 2배 이상의 높은 이온 전도도 및 수분 안정성을 가지는 것을 확인했다. 공정의 최적화로 과정은 단순화하고, 제조비 감소도 기대할 수 있는 결과다.

하윤철 KERI 박사는 “그동안 황의 증기압 상승을 해결하기 위해 국내외 많은 연구진이 고가의 원료를 사용하거나, 특수 공정을 도입하는 등 어려움을 겪었는데, 우리의 성과로 고체전해질용 황화실리콘을 저렴하고 쉽게 제조할 수 있는 길이 열리게 될 것”이라고 말했다.

한편 연구팀은 이번 황화실리콘을 고체전해질뿐만 아니라 액체전해질 기반의 리튬이온전지 음극 활물질 분야에도 적용하여 유의미한 결과(충·방전 과정에서의 층상구조 소멸 및 회복 현상 세계최초 규명)를 얻기도 했다. 이러한 황화실리콘 관련 전반적인 연구결과는 우수성을 인정받아 에너지·연료 분야 세계적 논문인 ‘저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A, IF: 14.511)’의 표지논문으로 최근 선정됐다.

KERI는 해당 기술에 대한 특허 출원을 준비하고 있다. 또한 이번 성과가 전고체전지 관련 기업(고체전해질 생산 및 극판/멤브레인 제조 장비 기업, 극판 전해질막 및 셀 제조업체 등)의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 황화실리콘 제조 공정의 스케일업(Scale-up) 및 상용화를 추진한다는 계획이다.

◆남부발전, 서전발맥과 에너지 절감 위한 기술협력 방안 소통 

한국남부발전이 경기 김포시에 위치한 산업용 밸브 전문기업 서전발맥을 방문해 애로사항 청취와 동반성장을 위한 협력 방안 등 소통경영을 시행했다. 

서전발맥은 2014년 남부발전과 공동으로 배열회수보일러의 저압드럽 수위 제어 밸브를 성공적으로 국산화한 이후 지속 협업 중인 주요 협력사로, 최근 매출 100억원을 달성한 강소기업이다. 

2017년에는 미국 피츠버그 발명대전에서 금상을 수상해 기술력을 인정 받았으며, 이러한 기술력을 바탕으로 남부발전과 지금까지 외국 기술에 전적으로 의존해 오던 고압 증기터빈 바이패스(우회) 밸브 및 구동장치의 국산화에 성공하는 등 발전소 핵심 밸브의 국산화 기술 확보에 큰 역할을 해왔다. 

이승우 남부발전 사장은 2021년 취임 시부터 상생협력 주간을 지정하고 우수 중소기업을 방문해 해외 시장 진출 활로 개척 및 성장 방안에 대해 소통하는 등 전방위적 지원을 하고 있다. 

특히, 국내 발전공기업 유일 미국에 진출한 나일스 가스복합발전소 건설공사에 열교환기, 철골 구조물 등 2400만 달러(약 314억5200만원) 규모의 국산 기자재를 의무구매 품목으로 지정해 국내 발전 기자재 업체의 미국 시장 진출을 지원한 바 있다. 

이승우 남부발전 사장은 “남부발전이 추진 중인 두 번째 미국 가스복합 건설사업에 국내 기자재의 많은 사용을 위해 적극적인 역할을 다하겠다”며 “중소기업이 보유한 우수기술을 활용해 정부 에너지 다이어트 정책과 연계해 발전소 소내 소비전력 절감에도 기여할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다. 

◆한수원, 테크노닥터 지원사업 참여기업 공모

한국수력원자력이 ‘2023년도 테크노닥터 지원사업’에 참여할 중소기업을 4월 2일까지 모집한다.

‘테크노닥터’는 풍부한 경험과 전문성을 겸비한 한수원 퇴직인력으로, 이 사업은 전문인력 채용을 원하는 중소기업에게 테크노닥터를 매칭, 지식과 노하우를 전수할 수 있도록 지원하는 한수원 동반성장 대표사업 중 하나다. 

한수원은 원자력‧수력 분야에서 기계, 전기, 계측제어, 방사선, 품질, 안전 등 다양한 경험과 실력을 갖춘 퇴직인력을 희망 중소기업에게 추천하고, 해당 기업은 자체 면접을 통해 최종적으로 채용을 진행한다. 

특히, 한수원은 이 사업에 선정된 기업이 테크노닥터에게 지급한 월급여의 50%를 최대 200만원 한도에서 지원할 예정이다. 사업의 자세한 내용은 한수원 홈페이지를 참고하면 된다.

전혜수 한수원 상생협력처장은 “한수원 전문인력의 노하우 전수를 통해 중소기업의 기술 경쟁력이 성장하는 기회가 될 것으로 기대된다”며 “더욱 실질적이고 기업들이 체감할 수 있는 새로운 지원사업들도 끊임없이 발굴하겠다”고 말했다. 

김동용 기자 dy0728@sporbiz.co.kr