배터리 기술이 발전하면서 전기차 시장도 빠르게 성장하고 있습니다. 하지만 배터리 화재에 대한 우려는 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 이를 해결하기 위해 LG화학 연구팀은 온도 변화에 반응해 전류 흐름을 차단하는 ‘열폭주 억제 소재’를 개발했습니다. 이 소재는 발열 초기 단계에서 전류를 차단하는 ‘퓨즈’ 역할을 하며, 배터리 화재 위험을 줄이는 데 기여합니다. 또한, 세계적인 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈>에 등재되며, 글로벌 배터리 업계와 학계에서도 기술력을 인정받았습니다. 오늘은 이 ‘열폭주 억제 소재’를 개발한 연구팀을 직접 만나 이야기를 들어보겠습니다.
Q. 안녕하세요. 자기소개를 부탁드립니다.
김기환 연구위원 : 안녕하세요. 김기환입니다. LG화학 CTO 산하 기반기술.표면처리기술PJT 소속으로 표면 처리 기술 프로젝트를 맡고 있습니다. 우리 회사가 개발한 소재들의 성능을 키우는 기술, 또 다양한 차별화 소재에 대한 기술을 연구하고 있습니다.
강준구 책임 : 안녕하세요. 강준구입니다. CTO 산하 기반기술.표면처리기술PJT에서 열폭주 억제 소재에 대한 실무를 담당하고 있습니다. 저희는 선도적이거나 선제적인 제품과 기술을 개발해 사업화로 이어지도록 하는 업무를 맡고 있습니다.
(좌측부터) 강준구 책임, 김노마 연구소장, 김기환 연구위원
Q. LG화학에서 그동안 열폭주를 막는 다양한 기술과 소재를 연구했는데요.
이전 소재들과 이번에 개발한 ‘열폭주 억제 소재’는 어떤 차이가 있나요?
김기환 연구위원 : 전지의 화재와 열폭주에 대해서는 많이들 알고 계실 거라고 생각합니다. 기존의 기술들은 화재 시 불이 옆으로 퍼지는 현상을 막는 역할을 했습니다. 예를 들면, 방염복처럼 작동하여 화염이 전파되지 않도록 차단하는 방식이었지요. 쉽게 설명하면, 기존 기술이 불이 난 후 확산을 막는 소방 시스템이라면, 이번 기술은 화재가 발생할 가능성을 사전에 차단하는 전기 차단기 즉, 퓨즈 역할을 한다고 볼 수 있습니다. 즉, 배터리의 쇼트(short, 내부 단락)* 현상이 발생하면, 전류의 흐름을 차단하여 화재 자체를 억제하는 원리입니다.
강준구 책임 : 기존 기술은 셀 성능과는 관계없이 열을 차단하는 역할만 하면 되었지만, 이번 기술은 배터리 내부에서 작동해야 하니 셀의 성능을 저하시키지 않으면서도 안전성을 확보해야 했습니다.
*쇼트 : 배터리의 양극과 음극이 직접 접촉하는 현상을 말하며 내부 단락이라고도 한다. 쇼트가 발생하면 발열이 발생하여 화재로 이어질 수 있다.
Q. 열폭주 억제 소재는 어떤 원리인가요?
강준구 책임 : 배터리 화재의 가장 큰 원인은 앞서 말한 배터리의 쇼트 현상입니다. 이는 양극과 음극이 직접 접촉할 때 일어나는데 주로 다음과 같은 세 가지 요인으로 인해 발생합니다. 첫째, 배터리를 뾰족한 물질로 관통했을 때. 둘째, 충격으로 인해 셀이 변형되었을 때. 마지막으로 고온에 노출되어 내부 소재가 변형되었을 때입니다. 이러한 상황에서 배터리의 내부 쇼트가 발생하면 전압이 급격히 떨어지고, 셀 내부 온도가 급상승합니다. 저희가 개발한 소재는 전압과 온도에 반응하여 저항이 증가하면서 ‘퓨즈’ 역할을 수행합니다.
김기환 연구위원 : 전기 난방기구에서 쇼트가 일어나면 전류가 한꺼번에 많이 흐르면서 불이 나잖아요? 저희 소재는 쇼트가 발생하는 순간 저항이 급격히 증가하여 전류 흐름을 차단하는 원리로 작동합니다. 즉, 과전류가 흐르면 자동으로 전기를 차단하여 화재 발생 자체를 억제하는 역할을 합니다. 이 기술의 핵심은 단순히 온도가 올라가면 저항이 증가하는 것뿐만 아니라, 전압이 올라가도 저항이 증가하는 특성을 갖고 있다는 점입니다. 보통 배터리의 내부 쇼트가 일어나는 온도는 150℃ 이상인데, 저희는 80~120℃ 사이에서 반응하도록 소재를 설계하여 내부에서 문제가 발생하기 전에 미리 전류 흐름을 차단할 수 있도록 했습니다.
강준구 책임 : 열폭주 억제 소재는 배터리 셀 내부에 적용됩니다. 기존 기술은 셀 바깥에서 작용하는 방식이었지만, 이번 소재는 배터리 내부에서 직접 작동해 근본적으로 화재 발생을 차단합니다. 또 소재의 두께가 머리카락 두께의 100분의 1 수준인 1마이크로미터(㎛)인데요. 배터리 내부에서 기능을 수행하면서도 배터리 성능을 저하시키지 않도록 개발하는 게 가장 큰 도전 과제였지만, 이를 해결하면서 차별화된 기술을 확보할 수 있었습니다.
Q. 머리카락 두께의 100분의 1이라면 엄청 얇은 두께인만큼 구현하는 과정이 쉽지 않았을 텐데요.
연구에 얼마나 시간이 소요됐으며 가장 어려웠던 점은 무엇이고 어떻게 극복했나요?
김기환 연구위원 : 얇은 층을 구현하는 게 굉장히 까다로운 과정이었습니다. 연구는 2021년 콘셉트 검증으로 시작해 2022년부터 본격적인 개발을 진행했어요. 그러니까 실제 연구를 본격적으로 진행한 것은 약 2년 정도인 셈이지요.
초반에는 우리가 직접 셀을 만들지 않고 고객사에 의존하다 보니, 원하는 결과를 얻는 데 시간이 오래 걸렸어요. 2023년부터는 내부적으로 직접 셀을 제작하고 평가하는 소규모 파일럿 공정을 구축하면서 개발 속도를 크게 높일 수 있었습니다. 전극 코팅을 외부 협력업체에 도움을 받아 진행하고, 파우치 셀(휴대폰 배터리 크기 수준)까지 자체적으로 제작하면서 문제점을 발견하고 해결하는 프로세스를 가속화할 수 있었습니다.
강준구 책임 : 셀 제조업체나 전극 코팅 업체를 직접 찾아가 협업할 수 있는 파트너를 발굴하는 과정도 필요했습니다. 원하는 공정을 구현할 수 있는 업체를 찾기 위해 수많은 테스트를 진행하며 시행착오를 겪었지요. 하지만 이러한 과정을 통해 연구의 완성도를 높일 수 있었고, 결과적으로 원하는 두께를 구현하는 데 성공할 수 있었습니다.
앞서 말씀드린 것처럼, 이번 기술은 배터리 내부에서 작동하는 소재이기 때문에 얇은 층이 배터리의 성능을 저하시키지 않으면서도 안정성을 확보해야 했습니다. 기존 소재들은 셀 외부에서 적용되기 때문에 성능에 영향을 크게 미치지 않았지만, 이번 기술은 셀 내부에 들어가야 하므로 전지의 성능을 유지하면서도 안전성을 확보하는 것이 핵심 과제였습니다.
김기환 연구위원 : 연구를 진행하면서 여러 난관이 있었지만 소장님과 팀원들 간의 활발한 토론과 협력이 원동력이 되었습니다. 연구 과정에서 어려운 문제가 생길 때마다 소장님과 깊이 있는 논의를 하면서 해결 방향을 찾았고, 연구팀 내부에서도 팀원들이 적극적으로 의견을 나누며 협업하는 분위기가 조성되었기에 결국 기술을 구현하는 데 성공할 수 있었습니다. 또 차별화된 기술을 개발하고 싶다는 목표가 원동력이 되었습니다. 기존에 없던 새로운 기술을 연구하고 배터리의 안전성을 획기적으로 높일 수 있기에 어려운 과정에서도 포기하지 않고 연구를 이어갈 수 있었습니다.
연구가 진행되면서 고객사에서 점점 더 많은 관심을 보였고 논문 발표 후에는 글로벌 자동차 OEM 업체들이 직접 문의를 해오는 등 실제 산업에서 이 기술이 필요로 하다는 게 명확해졌어요. 이런 피드백이 연구를 계속 밀고 나갈 수 있는 동기가 되었습니다.
강준구 책임 : 팀원들 간의 협업과 소통이 가장 큰 힘이 되었습니다. 연구개발은 한 사람이 하는 게 아니라, 팀 전체가 각자의 역할을 맡고 협력하면서 문제를 해결해 나가는 과정입니다. 특히 논문을 준비할 때, 제1저자인 송인택 책임님과 외부 협력기관인 포항공대 이민아 교수님과의 협업이 굉장히 큰 도움이 되었습니다. 연구 방향을 함께 고민하고 문제를 해결하는 과정에서 서로 아이디어를 나누며 더 나은 해결책을 찾을 수 있었습니다.
연구 과정에서는 목표를 달성하지 못하거나 실패하는 순간도 있습니다. 하지만 저희 팀원들은 이러한 과정을 부담스럽게 받아들이지 않고 새로운 성장의 기회로 삼고자 했습니다. 고객사의 요구사항이나 연구 목표에 맞춰 개선이 필요할 때마다 팀원들 모두 겸허하게 받아들이고 다시 도전했습니다. 이런 태도가 연구를 지속하는 중요한 원동력이 되었습니다.
(좌측부터) 논문의 제1저자인 송인택 책임, 강준구 책임, 김기환 연구위원
Q. 이번 연구가 <네이처 커뮤니케이션즈>에 게재되어 큰 주목을 받았습니다.
논문으로 강조하고 싶었던 점은 무엇이었나요?
김기환 연구위원 : 논문을 통해 저희가 가장 강조하고 싶었던 부분은 두 가지였습니다.
첫 번째는 기술의 우수성입니다. 이번에 개발한 열폭주 억제 소재가 기존 기술과 차별화된 점은, 배터리 셀 내부에서 직접 작동하면서 전압과 온도에 반응해 자체적으로 전류 흐름을 차단하는 원리를 적용했다는 것입니다. 저희는 이를 학계와 업계에 알리고 싶었습니다. 기존 연구들은 대부분 화재 확산을 방지하는 기술이었지만, 저희 연구는 화재 발생 자체를 차단하는 선제적인 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 컸습니다.
두 번째는 글로벌 자동차 OEM 및 배터리 제조사들에 기술을 효과적으로 홍보하고, 더 많은 관심을 이끌어내는 것이었습니다. 보통 회사에서는 논문보다는 특허를 강조하는 경우가 많습니다. 하지만 저희 소장님께서 “우리가 가진 차별화된 기술을 효과적으로 알리려면, 세계적으로 영향력 있는 저널을 통해 기술의 우수성을 객관적으로 인정받는 것이 중요하다”고 조언하셨고, 이에 따라 논문을 준비하게 되었습니다.
강준구 책임 : 저희가 가지고 있는 훌륭하고 차별화된 기술을 자동차 OEM 등에 홍보하고 싶은데 한계가 있었습니다. 그래서 네이처 같은 곳에 논문을 발표하면, 불특정 다수의 유럽, 북미 등 자동차 OEM 업체로부터도 충분히 기술 문의 및 협업 요청이 들어올 수 있을 것이라 기대했습니다. 그리고 실제로 논문 발표 이후 효과가 기대 이상이었습니다.
김기환 연구위원 : 세계적으로 유명한 저널에 실린 점, 그리고 최근 전기차 화재가 사회적으로 큰 이슈가 되고 있다는 점이 맞물리면서 다양한 업계의 반응이 있었습니다. 논문이 발표된 이후에는 예상보다도 훨씬 더 큰 반응을 받았습니다. 글로벌 자동차 OEM 업체들로부터 직접적인 기술 문의와 자료 요청이 이어졌고, 경쟁사라고 할 수 있는 다른 소재 회사들에서도 세미나 요청이 들어오기도 했습니다. 보통은 우리가 고객사에 먼저 ‘이런 기술이 있습니다’라고 소개하는데 이번에는 논문이 발표되면서 고객사에서 먼저 연락을 주고, 기술 자료 요청이 이어지는 등 기존과 다른 반응을 보였습니다. 논문이 기술의 차별성과 중요성을 강조하는 데 큰 역할을 했고, 실제 산업계에서도 큰 주목을 받는 계기가 되었다고 생각합니다. 학계에서도 많은 관심을 보였습니다. 여러 연구기관에서 ‘우리 저널에도 논문을 제출해달라’는 요청이 올 정도로 좋은 반응이 있었습니다. 이렇게 학계와 업계 모두에서 좋은 피드백을 받으면서 연구팀에서도 큰 보람을 느꼈습니다.
Q. 사업화를 위해 앞으로 어떤 과정들이 남아 있을까요?
강준구 책임 : 저희가 개발한 열폭주 억제 소재를 실제로 배터리에 적용하려면 배터리 셀 제조업체의 인증과 자동차 OEM의 테스트 과정을 반드시 거쳐야 합니다. 실제 제품으로 양산하기 위해서는 파일럿 단계를 거쳐 대량 생산이 가능한지 실제로 배터리 성능과 안전성에 영향을 주지 않는지를 검증해야 합니다.
저희가 논문에 발표했던 기술은 휴대폰 배터리 크기의 작은 파우치 셀을 기준으로 성능을 입증한 내용입니다. 최종 목표는 전기차 배터리 수준의 대형 셀에도 동일한 효과를 확보하는 데 있습니다. 전기차 배터리는 용량이 훨씬 크고 열폭주가 일어날 경우 더 큰 위험을 초래할 수 있기에 기술 적용 범위를 확장하는 게 중요합니다. 현재 예상으로는 모바일 기기(휴대폰 등) 적용은 2026년~2027년, 전기차 배터리 적용은 2029년을 목표로 하고 있습니다.
김기환 연구위원 : 사업화를 위해서는 단순히 연구개발에서 끝내는 게 아니라 실제 양산 가능성을 확인하고 공급망을 구축하는 과정까지 고려해야 합니다. 이를 위해 배터리 제조업체, 자동차 OEM과 지속적인 협업이 필요하며 앞으로도 고객사와 논의하며 적용할 수 있도록 노력할 예정입니다.
Q. LG화학은 소재 연구개발을 수행하는 데 있어서 어떤 환경과 분위기를 갖추고 있나요?
김기환 연구위원 : LG화학은 연구개발에 열려 있는 곳입니다. 연구개발을 하다 보면 부서 간 협업이 필요한 경우가 많은데, LG화학에서는 팀 간 협업이 매우 원활하게 이루어집니다. 특히 이번 연구에서도 기반기술연구소 내 여러 팀과 협력하고, 외부 기관 및 협력업체와도 소통하면서 연구를 진행했습니다. 단순히 한 팀이 독립적으로 연구하는 게 아니라 필요할 때마다 관련 부서들과 의견을 나누고 함께 해결책을 찾는 문화가 정착되어 있어 큰 도움이 됐습니다.
강준구 책임 : 또 하나 강조하고 싶은 점은 연구원들의 의견이 적극적으로 반영되는 문화입니다. 어떤 연구 방향이든, 연구원들이 새로운 아이디어를 제안하면 이를 검토하고 적용하려는 개방적인 분위기가 있습니다. 이런 환경 덕분에, 연구자들이 자유롭게 창의적으로 접근해볼 수 있고 새로운 기술 개발에 도전할 수 있는 기회가 많습니다.
김기환 연구위원 : 서로 협력하고 소통하면서, 도전을 장려하는 분위기가 연구자들에게 긍정적인 영향을 미치고, 더 혁신적인 결과를 만들어내는 원동력이 되는 것 같습니다. 그리고 이러한 분위기를 지원하는 데 있어 LG화학은 글로벌 톱 수준의 연구개발 인프라를 갖추고 있습니다. 실험을 수행하고 데이터를 분석하는 데 필요한 최신 설비와 장비가 충분히 지원되며, 연구를 위한 인적·물적 자원도 풍부하게 제공됩니다.
Q. 마지막으로 두 분의 목표가 있으실까요?
강준구 책임 : 저희의 최종 목표는 사업화입니다. 연구개발의 목적은 결국 이 기술을 실제 제품으로 상용화하여 배터리의 안전성을 높이는 것이니까요. 연구가 논문으로 발표되고 업계에서 많은 관심을 받고 있지만, 실제로 제품화되고 고객이 사용하도록 만드는 게 가장 중요한 과제라고 생각합니다. 그리고 저는 이 연구가 단순히 새로운 소재를 개발하는 것을 넘어, “We connect science to life for a better future” 라는 LG화학의 철학을 실현하는 과정이라고 생각합니다. 전기차의 안전성을 확보하고, 더 나은 생활을 위한 기술을 삶에 접목하는 게 이 연구가 궁극적으로 추구하는 가치라고 믿습니다.
김기환 연구위원 : 먼저 개발한 소재를 기반으로 전기차의 안전성을 획기적으로 높이고 싶습니다. 지금까지 연구한 기술이 배터리 화재를 근본적으로 차단하는 데 기여할 수 있다면, 인류의 안전과 지속 가능성에 기여하는 연구를 한 게 된다고 생각합니다. 그 다음으로 사람 간의 관계를 통해 함께 성장하는 일입니다. 연구개발은 결국 사람이 하는 일이고 한 명이 아니라 여러 사람이 함께 협력해야 더 큰 성과를 낼 수 있습니다. 저뿐만 아니라 팀원들이 서로 도움을 주고받으면서 더 성장할 수 있는 환경을 만드는 게 개인적인 목표입니다.
전기차 시장이 확대될수록 배터리의 안전성 확보는 필수 과제가 되고 있습니다. 이번 열폭주 억제 소재는 LG화학 연구팀의 끊임없는 도전과 혁신이 만들어낸 결과물입니다. 앞으로도 LG화학은 더 안전한 배터리는 더 지속 가능한 미래를 위해 연구를 멈추지 않겠습니다.
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