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    • 김영식 교수
      바닷물로 충전하는 해수전지 상용화
      김영식 교수(울산과학기술원 에너지 및 화학공학부)
      이메일:ykim at unist.ac.kr
      장소:제2공학관 104동 304호
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    안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!

     바닷물의 나트륨을 이용한 해수 전지는 친환경 에너지 저장 장치로 주목받고 있는데요. 사용할 수 있는 제품으로 상용화하기가 매우 어렵다는 게 업계들의 반응이었습니다. 오늘 만나보게 될 김영식(울산과학기술원 에너지 및 화학공학부) 교수님은 해수 전지를 이용한 항로표지용 등 부표 및 한국전력공사, 한국동서발전으로부터 총 50억 원 연구비를 지원받아 벤처기업까지 설립하셨는데요. 그럼 교수님을 직접 만나 뵙고 지원과정 및 기술의 상용화에 대한 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.

     

    1. 현재하고 계시는 연구에 대해 간략한 소개 말씀 부탁드리겠습니다.

    전지를 하고 있는데요, 전지는 화학물질을 전기에너지로 바꾸는 장치입니다. 기존의 리튬이온전지는 고가의 화학물질을 사용하고 있는데요. 소형 전지에는 괜찮지만, 대용량에는 문제가 되기 때문에 이러한 화학물질을 고가의 리튬이온이나 화학물질 대신에 바닷물로, 전기에너지로 저장하고 발생할 수 있는 장치를 개발하고 있습니다. 그래서 우리는 이것을 해수 전지라고 합니다.


    2. 최근에 값비싼 리튬이온 대신 바닷물 속 소듐(나트륨)이온을 이용해 전기를 저장하는 해수 전지를 개발하신 거로 알고 있습니다. 해수 전지에는 많은 장점이 있을 거 같습니다. 어떤 장점이 있나요? 또한 현재 가장 해결해야 할 문제가 있다면?

    무한한 해수를 에너지 소재로 사용할 수 있어서 ‘가격이 저렴하고 친환경적이다.’라는 것을 큰 장점으로 볼 수 있습니다. 하지만 단점은 해수를 하나의 양극 물질로 사용하다 보니까 전해질을 세라믹 전해질을 사용해야 합니다. 세라믹 전해질을 사용하면 소듐 이온의 이동성(이동도)이 좀 낮아지면서 출력을 높이는 것에 아직 한계가 있습니다.


    2.-1 해수 전지의 단점을 해결하기 위해서 어떤 연구를 하고 있으신가요?

    두 가지 측면에서 하고 있습니다. 하나는 디바이스이고 하나는 소재인데, 디바이스 측면에서 얇고 면적을 넓게 함으로써 소듐이온의 이동을 많이 높여주는 쪽으로 하고 있고요,  또 한쪽은 현재는 소재를 세라믹으로 사용하는데 소디옴 이온의 이동들을 활성화할 수 있는 소재를 개발하고 있습니다.


    3. 교수님은 해수 전지를 현재 실용화를 목표로 해서 여러 제품도 개발 중인 것으로 압니다. 다른 해수 전지들에 비해서 어떤 점이 개선된 건지 궁금합니다.

    기존의 해수 전지는 마그네슘 등을 음극으로 사용해서, 해수를 전해질로 사용한 것입니다. 해수를 전해질로 사용해서 해수 전지라고 이름이 불리기 시작했는데 이것은 1차 전지에요. 1차 전지는 한 번 사용하면 버려야 하는데, 저희가 사용하고 있는 해수 전지는 약간 개념이 다른 2차 전지입니다. 해수를 양극 물질로 사용하고 있는 전지인데 우리 연구실에서 처음으로 아이디어를 내서 개발을 하는 중입니다.


    4. 제19차 국제항로표지협회 콘퍼런스 산업전시회에서 우리 해양(대표 이용재)과 공동으로 개발한 해수 전지 기반 항로표지용 등 부표를 출품하셨는데요. 간략하게 소개 및 설명 부탁드립니다.

    해수 전지를 개념부터 개발을 하고 있었는.  많은 분이 ‘해수 전지가 정말로 작동이 되느냐?’ 라는 질문을 많이 해오는데, ‘제품을 만들어봐서 된다.’라는 이야기를 해왔습니다. 이 행사가 되게 중요했던 것이 우리 입장에서 ‘얘를 만들어서 된다.’ 는 것이 아니라, 저희가 제품을 만들어서 그것을 필요로 하는 거기에 적용했을 때 그쪽 입장에서 ‘아 이것이 되는 것이구나!’라는 그런 확인을 받은, 굉장히 중요한 사항이죠. 이런 행사도 저희가 전지협회에서, 전지에서 하는 큰 행사가 아니고요. 등 부표 학회의 사람들에게 인정을 받을 수 있는 계기가 되었습니다.




    5. 최근 인터뷰에서 논문은 논문일 뿐이라는 업계의 시각을 깨려고 직접 포투원(4 TO ONE)이란 벤처기업을 설립하셨는데요. 설립과정 및 지금까지 개발한 제품에 대한 소개 부탁드립니다.

    굉장히 안타까운 이야기인데, 사실은 우리나라만 그렇지는 않겠지만 학계에 있는 분들이랑 산업계에 있는 분들이랑 중간에 벽이 있는 것을 많이 느꼈습니다. 왜냐하면 학계에서는 이론적으로 가능하고 그 이론적으로 가능한 것을 최소한의 디바이스를 이용해서 ‘입증(prove)하고 논문을 쓰면 된다.’라고 하지만 사실 산업계에 있는 분들은 이 소재를 아주 최소(minimum)화하게 사용하는 것이 아니라 어느 정도 고성능 장비 도입을 해서 사용을 해야 하는데, 이런 것들이 잘 매치가 안 되니까 서로서로 의심하는 그래서 저희가 학계에서 논문을 많이 내더라도 산업계에 있는 분들은 ‘그것은 논문용이 아니냐’ 라는 말을 하죠. 스케일업을 할 수 있는 가장 좋은 사람들은 사실 학계에 있는 사람들이거든요.

    외국사례를 보면 주로 그 연구실에서 나온 아이디어의 개념을 입증(Prove)을 하고 그것을 상용화하는데 가장 핵심멤버들을 보면 그 연구실에서 나온 학생들이거나 교수들이 창업해서 그 어느 정도까지 스케일업을 시켜줍니다. 그것을 발판 시켜주면 그 회사에서 사용하는 시스템이 잘 되어있는데요.

    우리나라 같은 경우에는 분위기가 그래서 그런 것인지는 모르겠는데 학생들이 그런 창업을 하는데 굉장히 꺼립니다. 학생뿐만이 아니라, 학생들 부모들도 굉장히 꺼리고 걱정하고 교수들도 창업해서 무엇인가를 한다는 것에 대해서 굉장히 꺼립니다. 기술이전을 하는 것도 꺼리고. 왜냐하면 사업을 하다가 실패를 하게 되면 그 비난들을 다 본인들이 감수해야 하는 거죠. 그런 사례들이 너무 많다 보니까 이제 학생들도 걱정하고, 학생 부모들도 걱정하고 교수들도 명예로 먹고사는 사람들인데 ‘안된다면 사기꾼이다.’라는 이런 결과가 도출될까 봐 굉장히 걱정하면서 잘 시도를 안 하게 되는데 그런 차원에서 저도 이런 기술을 이전하거나 누구에게 맡기기보다는 작지만 내가 직접 ‘어느 정도까지는 해야 하지 않나?’ 해서 이렇게 조금 조금씩 시도해왔던 것 같습니다.

    학교에서 일을 하다 보면 좋은 아이디어들은 매우 많습니다. 사실 그것들이 조그맣게 해서 되었다고 된 것인데 근데 그것을 스케일업을 하는데 굉장히 힘들고 서로 오해가 많이 생기고 그러다 보니까 학계와 산업계 사이에 벽이 많이 생긴 것 같습니다. 굉장히 안타까운 현상입니다.


    5-1. 개발한 제품에 대한 소개 부탁드립니다.

    해수 전지를 만들기 위해서는 조그마한 셀이 필요합니다. 기존에는 각각 연구실에서 홈메이드 셀을 사용해서 테스트를 하는데, 그 셀을 ‘어떻게, 누가 만드냐’에 따라서 약간 약간씩 달라지고 거기에 여러 소재를 제공하게 되면 결과들이 조금 조금씩 달라집니다.  이 결과들은 다른 연구실에서 따로 나온 것이라서 비교하기가 상당히 힘이 듭니다. 그래서 저희가 처음에 한 것이 ‘최적화된 셀을 만들어서 상용화 하자’ 해서 처음에는 그런 셀들을 개발했고요.  많은 분이 그것을 사용해서 데이터를 만들고, 그 데이터를 비교할 수 있었습니다.  그런 측면에서 해수 전지 코인 셀 상품화가 굉장히 중요했다고 볼 수 있습니다.  코인 셀은 실험용이고 데이터를 비교하는 용도라고 한다면, 이 셀이 정말로 적용될 수 있는지를 보기 위해서는 각형 셀이라고 하는 출력을 높이는 셀을 만들고 있습니다.


    6. 현재 한국해양과학기술원과 함께 부이(Buoy)용 해수 전지를 개발하고 있다고 들었습니다. 누군가와 함께 연구한다는 것이 쉽지는 않을 것 같은데요. 함께 연구하게 된 배경과 어려운 점이 없으신지 궁금합니다.

    공동연구라는 것은 사실은 이것이 자기 분야가 뚜렷하게 있어야 하고요, 내가 할 수 있는 것을 저분이 할 수 있으면 사실 공동연구가 되기 힘들고 경쟁 관계가 되고요. 내가 가지고 있지 못한 것을 저분이 가지고 있는 그런 뚜렷한 자기만의 정체성(Identity)가 있으면 공동연구가 가능합니다. 해양과학기술원 같은 경우에는 해수 전지라는 원천기술보다는 그런 전지가 개발되면 그것을 사용할 수 있는 출처 이런 방향으로 굉장히 많이 연구되어왔기 때문에 공동연구가 쉽게 되어왔다고 생각합니다.

    7. 한국전력공사는 2019년까지 30억 원, 한국동서발전 2018년까지 20억 원 3년간 총 50억 원이라는 투자를 받으셨는데요. 정부에서는 2014년부터 66억 원 연구비까지 연구비 지원으로는 매우 파격적입니다. 지원받으실 때 어려운 점이나 정부 사업의 성과 위주의 평가에 대한 시행착오는 없으셨는지 궁금합니다.

    정부에서는 사실 받은 것은 학교의 도움이 많이 컸고요. 유니스트가 이제 기존의 다른 학교에서 하는 그런 따라가는 연구에서 선도해가는 그런 연구를 많이 추구하다 보니까 좀 새로운 아이디어, 파격적인 아이디어 이런 데에 적극적으로 도와주셔서 해수 전지라고 하는 아이템을 가지고 어느 정도까지 개발을 시작하게 되었고 그 정부자금으로 인해서 우리가 지금 해수 전지 코인 셀이라는 상품을 만들게 되었고, 세상에 내놓게 되었습니다.

    사실 한국전력과 동서발전은 회사입니다. 전력회사죠. 전력회사이고 장기적으로 보았을 때 ESS 즉 대용량 에너지 저장장치가 필요한 그런 회사인데요. 지금은 리튬이온전지를 많이 사용하려고 하죠. 하지만 문제는 장기적으로 보았을 때는 리튬이온전지의 가격이 계속 고가이고 또 문제는 리튬이온전지의 핵심소재를 우리나라가 확보하고 있지 않기 때문에 ‘좀 더 큰 미래를 보아야 하지 않나’라는 관점에서 다른 전지를 찾아보는 중에 해수 전지라는 아이템을 알게 되었고 저희가 개념만 가지고 얘기를 했다고 하면 그쪽도 이런 연구비를 투자하기 굉장히 주저하였을 것인데 그 당시에 다행히도 저희가 학교의 도움을 받아서 코인 셀까지 어느 정도 나와 있는 상태였고 거기서 가능성을 보고 그런 연구비를 투자할 수 있는 큰 계기가 되지 않았나 생각합니다. 그분들도 제가 논문만 가지고 이야기를 했으면 그 연구비를 투자하기에는 힘들지 않았나 생각합니다.


    8. 바닷물을 이용한 염분 차 발전기술도 에너지 기술 연에서도 개발 중인 것으로 알고 있습니다. 해수 전지의 국내외 동향은 어떤지 궁금합니다.

    해수 전지는 해수를 전해질로 사용하는 1차 전지로 많이 나와 있습니다. 염분 차를 이용한다고 하는 것은 간단합니다. 에너지를 전기에너지로 바꾸려고 하면 화학에너지가 차이가 있어야 합니다. 그런데 염분 차라는 것은 물의 소금의 농도와 그냥 물의 소금의 농도가 없는, 그 차이를 이용해서 전기를 만들어 내는 것이라서 어느 정도의 우리가 원하는 수준의 전기를 만들려고 하면 디바이스가 굉장히 커야 합니다. 그 부분에 있어서 좀 어렵지 않나 라고 생각합니다. 그러니까 우리가 얻고자 하는 에너지에 비교해서 그 디바이스가 너무 크니까.

    외국에는 해수 2차 전지의 소재 연구를 주로 하고 있습니다. 저희가 개발한, 코인셀 키트를 구입해서 그 키트를 사용해서 자기들이 그 연구실에서 개발하고 있는 소재를 해수전지키트에 적용을 해서 그 소재가 해수 전지에 얼마나 적합한지, 소재 차원에서 많이 하는 중이고요, 아마 그분들도 이쪽에 대해서 잠재적(potential)으로 보게 되면 아무래도 저희가 하는 것처럼 해수 전지를 적극적으로 하지 않을까 생각하고요. 그러기 전에 저희는 빨리 도망가야 합니다.


    9. 친환경 에너지 쪽으로 계속 한 우물을 파신 것 같은데요. 해수 전지 외에도 현재 연구 중인 내용이나 분야가 있으신지요?

    해수 전지를 하고 있고 그 다음에는 리튬 재활용 연구를 하고 있습니다. 리튬 재활용이라고 하는 것은 우리가 리튬이온전지를 사용해야 하는 분야가 휴대용(Portable)이라고 해서 자동차 등에 많이 사용하고 있는데요. 리튬이라고 하는 것은 희귀금속입니다.  희귀금속이기 때문에 결국에는 나중에 다 고갈이 되고, 우리나라는 리튬이 많이 없기 때문에 그것을 재활용할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다.


    9-1. 친환경 에너지 쪽으로 결심하신 계기가 있나요?

    저는 이제 박사 때부터 전지에 관련된 일을 많이 해왔었는데요, 전지나 에너지 컨버전 디바이스. 우리가 사용하고 있는 내연기관, 이런 것들도 다 석유화학 물질을 기계에너지로 바꾸는 장치이고 리튬이온전지도 화학물질을 전기에너지로 바꾸는 것이죠. 그런 화학물질을 찾는 연구를 많이 해왔었는데, 왜 우리가 굳이 접근하기도 힘들고 환경에 해로운 화학물질을 우리에게 필요한 에너지로 변환을 시키려고 하는지,  이왕이면 우리에게 친환경적이고, 많이 접근할 수 있는 화학물질을 이용해서 장치를 개발하면 필요한 에너지로 개발할 수 있지 않겠냐는 그런 생각을 하다보니 그쪽으로 가게 된 것 같습니다.


    10. 같은 분야에서 공부하고 있는 후배들(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주시면서 한 말씀 부탁드리겠습니다.

    저는 전지 쪽으로 에너지 컨버전 디바이스 쪽으로 연구를 많이 하고 있지만, 주위를 둘러보면 사용할 수 있는 화학물질은 매우 많습니다.  너무 한정되게 그 화학물질만을 생각하지 말고 좀 더 주위를 둘러보면 사용할 수 있는 그런 물질들이 많이 있으니,  보통의 생각을 벗어나서 하다 보면 좋은 성과를 얻을 수 있지 않을까 생각합니다.


    11. 실험실에 연구할 수 있는 학생들이 많을 것 같은데 어떤 학생들이 지원하고 어떤 학생들이 함께하려고 하시는지 궁금합니다.

    저희는 친환경 에너지 시스템을 개발하고 있지만, 그것에 전공을 가진 학생들이 주로 있는 것이 아니라 대부분 다릅니다. 저희 학생 중에는 생물, 물리, 전자 등 다양한 학부를 하고 온 학생들이 있습니다. 굳이 제가 학부의 전공을 두지 않는 것은 다른 것들보다는 연구에 대한 관심이 굉장히 중요한데 우리가 하는 연구가 기존의 학부 때 배웠던 공부와 완전히 다릅니다. 기존 학부 때 배웠던 공부라고 함은 기존의 알려진 지식을 얼마나 잘 습득을 해서 얼마나 용지에 잘 적어 넣는 것에 따라서 등급이 나누어진다고 하면 석사나 박사연구는 기존에 알려지지 않은 지식을 찾아서 전달하는 역할을 하고 있기 때문에 기존에 가지고 있는 지식을 얼마나 알고 있고 습득하는 것도 중요하지만 자기가 새로운 것을 찾아가는데 얼마나 관심이 있느냐는 굉장히 중요합니다.

    왜냐하면 새로운 것을 찾는 것은 굉장히 많이 힘듭니다. 매우 많은 실패가 있고요. 우리가 하는 일의 90% 이상은 실패를 합니다. 그러다 보면 그 실패를 극복하고 또 알아내기 위해서는 첫 번째로는 관심이 있어야 합니다. 전공이 다르지마는 관심이 있는 친구들 너무 쉽게 포기하지 않고 꾸준하게 가기에 그런 학생들이 주로 남아있는 것 같습니다.


    12. 실험실에 있는 학생들도 학업을 마치면 창업을 하고 싶어 하는 학생들도 있을 것 같습니다. 먼저 창업을 하셨으니까 도움을 주시거나 징검다리 역할을 해주실 수도 있을 것 같은데요. 어떻게 생각하시나요.

    저는 학생들에게  학위 기간에 물론 공부한다고 바쁘겠지만 창업도 해볼 수 있도록 도움을 주고 있는 상황입니다.  학교를 벗어나서 사회에 나가서 창업하다가 실패를 하게 되면 매우 큰 충격으로 다가옵니다.  위험부담도 크고 돈도 잃고 그런 것이지만 사실 요즘은 학교나 정부나 창업시스템에 있어서 학생들이 창업을 많이 할 수 있게 유도를 하고 있습니다. 좋은 것은 학교에서는 학생들이 창업할 때 개인 돈이 아니라 좀 여러 가지 도움을 받아서 창업할 수도 있고 또 창업해서 실패한다고 하더라도 크게 큰 부담이 없습니다.



    13. 교수님의 실험실을 한 번 둘러보도록 하겠습니다. 소개 부탁 드리겠습니다.

    우리 실험실은 물질과 시스템을 이용해서 에너지 저장장치를 가격이 저렴하고 효율이 높게 또 친환경적으로 만드는 실험을 하고 있습니다. 가장 크게 하는 연구는 해수 전지인데요. 바닷물을 이용해서 에너지를 추출할 수 있는 바닷물의 소금을 이용해서 전기를 생산하고 또 저장할 수 있는 장치를 가장 중점적으로 하고 있고 해수 전지를 이용해서 담수화 장치 연구도 하고 있습니다.

    바닷물에 있는 이온들을 제거함으로써 저희가 식용으로 마실 수 있거나 아니면 농경이나 산업에 사용될 수 있는 담수화 장치를 하고 있고요.  다음으로 하는 것은 리튬을 추출하는 실험을 하고 있습니다.  리튬이온 폐전지에서 리튬만 선택적으로 추출을 해서 우리나라가 리튬을 전량 수입하고 있기 때문에 그 리튬 부족 현상을 해결하기 위해서 저희 자체적으로 폐전지에서 리튬을 추출하는 시스템을 연구하고 있습니다.

    그 다음에 이것은 복합전해질인데 흔히 많이 쓰는 리튬 이온전지의 안정성에 관해서 액체 전해질을 사용하게 되면 폭발이나 불이 날 수 있는 위험성이 있기 때문에 그것을 고체와 액체를 섞은 합성(Composite)한 그런 전해질을 사용함으로써 안정성과 효율을 둘 다 잡을 수 있는 그런 실험을 하고 있습니다. 그리고 마지막으로 우리 실험실에서 하는 것은 액체 금속 전지라고 불리는 것인데요. 보통 배터리 같은 경우에는 다 고체의 물질을 사용하게 되는데 양극. 음극 전해질을 다 액체를 사용해서 그 밀도차를 통해서 분류시킴으로써 훨씬 더 고체보다 더 빠르고 효율이 높게 전기를 생산하고 저장할 수 있는 그런 시스템을 개발하고 있습니다.

    14. 실험장치들에 대해서 소개를 부탁드립니다.

    - 여기는 해수 전지를 연구하는 곳인데 저희는 이렇게 작은 셀로 만들어서 실험하지만 실제 상용화를 위해서 이렇게 모듈형식으로 크게 키워서 상용화에 가까운 형태로 만들고  해수를 넣어서 파도치듯이 물결(Flow)을 주면서까지 테스트를 진행하고 있습니다.

    - 이것은 복합전해질을 제작하고 있는데 저희가 세라믹도 직접 제조하고 폴리모도 직접 제조해서 이 두 개를 합쳐서 복합적으로 안정하고, 효율 좋은 그런 전해질을 제작하고 있습니다.

    - 이것은 설명해드렸듯이 해수 전지에 들어가는 핵심물질인 코인 셀이나 리튬이온전지에 사용되는 것들의 열처리를 할 수 있는 기계들입니다. 1,400도까지도 열처리를 해서 세라믹이나 양극, 음극 물질들을 여기서 직접 합성을 하고 있습니다.




     

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    전체댓글 3

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    |2018.11.06
    실험실 분위기가 너무 좋아서 촬영내내 즐겨웠습니다.
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    |2018.07.09
    연구와 실용화가 따로 동떨어지는 경우가 많은데.. 이걸로 투자도 받고 벤처까지 차리셧다니 대단하다는 생각이 듭니다. 제품들이 많이 상용화가 되었으면 좋겠군요..
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    |2018.07.09
    좋은 아이디어로 대단한 성과를 내신 교수님께 먼저 찬사를 보내 드립니다.
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