왕겨에서 나오는 비정질 실리카를 간단하게 실리콘으로 환원시키는 ‘마그네슘 밀링’ 공정 개발
세계 최고의 나노화학 분야 권위지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 논문 게재

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

국내에서 농부산물로 매년 70만t씩 발생되는 왕겨에는 실리콘의 원료로 쓰이는 나노구조의 실리카가 20% 함유돼 있다. 이를 실리콘으로 환원시키면 실리콘의 부피팽창을 효율적으로 제어할 수 있고 이차전지 음극재 등으로 활용하면 우수한 용량 유지와 출력 성능을 갖게 된다.

왕겨의 실리카를 실리콘으로 환원하기 위해서는 일반적으로 마그네슘 열환원법이 활용된다. 그러나 이 공정은 600°C에서 900°C의 고온을 필요로 하고, 환원을 위해 5시간 이상을 유지해야 한다. 공정 설계도 까다롭다.

에너지연 연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 마그네슘 열환원법을 단순화한 ‘마그네슘 밀링(Magnesio-milling)’ 공정과 모니터링 시스템을 구축했다. 마그네슘 밀링은 마그네슘 분말을 환원제로 이용하고, 볼밀 공정을 통해 실리카와 같은 물질을 환원시키는 공정으로 단시간(50분 이내), 상온, 상압, 대용량(5L 규모)에서 실리콘 환원이 가능하고 공정을 대량 생산 규모로 확대하는데 용이하다는 장점이 있다.

연구팀은 이를 활용해 왕겨의 실리카를 3차원 다공성 구조를 갖는 나노 구조의 실리콘으로 환원시키는데 성공했다. ‘마그네슘 밀링 공정’의 실리카 환원 수율은 91.72%로 기존 캐나다 토론토 대학 연구팀이 보유하고 있던 세계 최고 수율(83.2%) 기록을 갈아치웠다. 또 이 공정에 의해 제조된 나노구조의 실리콘은 이차전지 음극재로 사용됐을 때 기존 탄소 음극재보다 높은 용량을 나타냈다. 마그네슘 열환원법에 의해 제조된 실리콘 음극재와는 비슷한 성능을 보였다.

연구논문의 제1저자인 조원철 에너지연 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 있다”고 설명했다.

연구책임자 서명원 박사는 “현재 연구진은 연간 3t의 왕겨 유래 실리콘 생산 통합 공정의 기본 설계를 완료했으며 해당 기술의 이차전지 음극재 등 에너지 소재 기업으로 기술이전과 후속연구를 통해 실증을 진행할 예정”이라고 전했다.

한편 이번 연구는 에너지연의 주요사업인 ‘왕겨 가스화를 통한 에너지 생산 및 이차전지 음극재 개발’(연구책임자: 서명원)의 일환으로, 최장욱 한국과학기술원 EEWS학과 교수 연구팀과 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.