■  한국에너지기술연구원(곽병성 원장) 조원철·서명원 박사 연구팀의 왕겨를 이용한 나노 실리콘 대량 생산 기술이 세계 최고의 나노화학 분야 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)*’에 게재됐다.

  ○  국내에서 매년 70만 톤씩 농부산물로 발생되는 왕겨에는 실리콘의 원료인 나노구조의 실리카가 20% 함유돼있다. 이를 실리콘으로 환원시키면 실리콘의 부피 팽창을 효율적으로 제어할 수 있어 이차전지 음극재 등으로 활용 시 우수한 용량 유지와 출력 성능을 갖게 된다.

  ○  왕겨의 실리카를 실리콘으로 환원하기 위해서는 일반적으로 마그네슘 열환원법이 이용되고 있다. 그러나 이 공정은 600도에서 900도의 고온을 필요로 하고 환원을 위해 5시간 이상을 유지해야 하며, 공정 설계가 어렵다는 점 등이 단점으로 지적되고 있다.

  ○  이를 극복하기 위해 연구팀은 마그네슘 열환원법을 단순화한 ‘마그네슘 밀링 공정(Magnesio-milling)**’과 모니터링 시스템을 구축하고 왕겨의 실리카를 3차원 다공성 구조를 갖는 나노 구조의 실리콘으로 환원시키는데 성공했다.

* 나노 레터스(Nano Letters) : 나노분야의 세계적 최고 영향력을 지닌 논문집. 나노기술과 관련된 획기적인 결과만을 발표하며 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행함(SCI IF 13.779)
** 마그네슘 밀링(Magnesio-milling) 공정 : 마그네슘 분말을 환원제로 이용하고, 볼밀 공정을 통해 실리카와 같은 물질을 환원 시키는 공정. 단시간(50분 이내), 상온, 상압, 대용량(5L 규모)에서 실리콘 환원이 가능하고 공정을 대량 생산 규모로 확대하는데 용이함

□  연구팀이 개발한 ‘마그네슘 밀링 공정’의 실리카 환원 수율은 91.72%로 기존 세계 최고치(캐나다 토론토 대학 연구팀 보유)인 83.2%를 능가했다. 또, 이 공정에 의해 제조된 나노구조의 실리콘은 이차전지 음극재로 사용했을 때 기존의 탄소 음극재보다 높은 용량을, 마그네슘 열환원법에 의해 제조된 실리콘 음극재와는 비슷한 성능을 나타냈다.

■  연구 논문의 제1저자인 한국에너지기술연구원 조원철 박사는 “이번에 개발된 기술은 나노 실리콘 대량 생산화의 난제였던 마그네슘 열환원법을 대체할 수 있는 원천기술”이라며 “1%가 채 되지 않는 이차전지 음극재 시장의 판도를 뒤흔들 수 있는 기술을 국내에서 확보했다는데 의의가 크다”고 밝혔다.

  ○  또한 연구책임자 서명원 박사는 “현재 연구진은 연간 3톤의 왕겨 유래 실리콘 생산 통합 공정의 기본 설계를 완료했으며, 해당 기술의 이차전지 음극재 등 에너지 소재 기업으로의 기술 이전 및 후속 연구를 통해 실증을 진행할 예정”이라고 전했다.

  ○  이번 연구는 에너지연의 주요사업인 ‘왕겨 가스화를 통한 에너지 생산 및 이차전지 음극재 개발’(연구책임자: 서명원)의 일환으로, 한국과학기술원 EEWS학과 최장욱 교수 연구팀과의 협력을 통해 진행됐다. 에너지연은 이번 연구에 포함된 기술과 관련한 10여 건의 국내외 특허를 확보하고 있으며 핵심 특허는 특허청의 2015년 하반기 정부R&D 특허 전략지원사업 지원을 받아 국내 등록 및 미국 출원을 완료했다.