화석연료의 사용에 따른 이산화탄소 배출량의 증가로 지구온난화의 가속과 생태계 파괴 및 인류의 재앙이 예고되고 있는 가운데 화석연료의 고갈과 지구 온난화 문제 해결을 위해 신재생에너지에 대한 관심과 투자가 우리나라를 비롯해서 전 세계적으로 이뤄지고 있다. 재생에너지산업을 발전시키려는 노력은 생존과 직결된다는 점을 생각해 볼 때 현대를 살아가고 있는 학생이나 주부, 직장인들에게도 지대한 관심의 대상이 아닐 수 없다.

2006년 영국의 경제학자, 스턴 보고서에 따르면 지구 온도가 1℃ 상승하면 30만 명이 말라리아 등으로 사망하고 3℃ 상승하면 아마존 열대우림이 붕괴돼 생물종의 20~50%가 멸종하며 5℃이상 상승하면 대규모 인구이동과 대재앙이 불가피하다고 한다. 환경학자가 아닌 세계적 경제학자인 스턴은 화석연료 사용에 의한 기후변화로 금세기 후반부터 다음 세기에 이르기까지 엄청난 경제적·사회적 파국을 불러올 수 있다고 경고했다. 지구온난화가 가져올 사회적·경제적 변화는 환경문제가 아닌, 인류생존의 문제로 현실화됨에 따라 국가든 기업이든 생존을 위한 경쟁력을 갖추기 위해 서두르고 있다.

세계가 주목하는 그린에너지 개발에 앞장

현재 인류가 사용하고 있는 에너지는 주로 석탄, 석유 등의 화석 연료에 거의 전적으로 의존하고 있어 자원고갈, 환경파괴로 인한 지구온난화 등의 문제를 본질적으로 내포하고 있다. 한양대학교 화공생명공학부 전기화학소재 연구실(지도교수 김동원)에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 차세대 이차전지, 태양전지, 연료전지, 슈퍼커패시터 등의 그린 에너지 개발을 위한 소재 개발에 박차를 가하고 있다.

구체적으로 전기화학적 원리를 이용한 유기 소재, 고분자 소재, 나노 소재 등 전기화학소재의 설계, 합성, 특성 연구와 함께 이들을 적용한 전기화학 변환장치(리튬이차전지, 염료감응 태양전지, 고분자 전해질 연료전지, 인공광합성, 슈퍼커패시터 등)의 제작 및 평가 연구를 수행하고 있다. 이와 같은 전기화학소재들은 차세대 에너지 발전 및 저장을 위한 핵심 소재로 응용이 가능하여 저탄소 녹색성장을 선도할 수 있는 에너지 저장 및 활용 기술에 획기적 변화를 가져다 줄 것으로 예측되며, 궁극적으로는 현재의 화석연료 중심 패러다임 자체를 변화시킬 수 있는 미래지향적 기술로 파급 효과가 클 것으로 기대하고 있다. 

바람직한 대학 연구실의 ‘롤 모델’

연구실은 지난 2009년 4명의 석사 과정 학생으로 시작하여, 현재는 연구 교수를 포함하여 석박사급 대학원생 14명이 참여하는 연구실로 성장하여 창의적이고 도전적인 연구 과제를 수행하고 있다. 현재 연구실이 참여하고 있는 국가연구사업으로는 교육과학기술부의 우수연구집단연구사업(ERC), 기후변화대응 기초원천기술개발사업, 중견연구자 지원사업과 지식경제부의 소재원천기술개발사업, 산업원천기술개발사업 등이 있으며, 인력양성사업으로 교육과학기술부의 BK21사업(에너지소재공정사업단)과 지식경제부의 수소연료전지 특성화대학원 사업에 참여하며 국가 과학기술 발전과 전문인력 양성에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

연구실에서 중점적으로 추진하고 있는 연구 분야는, 에너지 저장 및 변환 소재에 공통으로 요구되는 전해질 재료이다. 지도교수인 김동원 교수는 “국내의 경우, 전극 소재 및 전지 시스템 분야에는 많은 지원과 연구가 이루어지고 있는 반면, 전해질 소재 및 전극-전해질 계면 연구 분야에서는 국내 연구 기반이 매우 취약한 상태다.”라고 설명하며 안타까움을 나타냈다. 덧붙여 “본 연구실에서는 전기화학과 관련된 기초 원리의 이해 및 규명을 통하여 다양한 전극 및 전지 시스템에 적합한 전해질 소재를 확보하고자 노력하고 있다”라고 전했다. 

다양한 연구로 미래 성장동력 이끈다

특히 그 중의 하나로, 최근 전기자동차 및 스마트 그리드 전력저장장치로 주목 받고 있는 리튬이차전지와 관련하여, 신규 고분자 전해질의 합성, 이온성 액체 전해질의 설계 및 전기화학적 특성 분석, 분리막 개질, 기능성 첨가제의 개발 및 전기화학적 현상 규명, 리튬 전극의 개질 및 구조 제어 등의 연구를 수행하고 있다. 

또한 차세대 태양전지로 주목 받고 있는 염료감응 태양전지의 효율과 장기 안정성을 향상시키기 위하여 다양한 소재와 방법을 통해 고분자 전해질을 설계, 합성하고 있으며, 높은 수소 이온 전도도와 우수한 기계적 특성을 갖는 수소이온교환막을 합성하여 고분자 전해질 연료전지와 인공광합성 소재로 활용하는 연구를 진행 중에 있다. 

이와 함께 높은 정전용량과 우수한 수명 특성을 갖는 탄소나노튜브/전도성 고분자 나노 복합체를 합성하여, 이들의 전기화학적 특성과 전기화학반응 메카니즘을 규명하며, 최적화된 복합 전극을 슈퍼커패시터에 적용하여 그 특성을 평가하고 있다.  이들 대부분의 연구는 정부로부터 지원을 받아 과제를 수행하고 있으며, 일부는 국내 대기업 및 중소기업과 산학 공동으로 연구를 진행하고 있다.

세계적 수준의 연구 성과 도출할 터

전기화학장치에 필수적으로 요구되는 전해질 분야에서 연구의 독창성과 우수성을 국내외적으로 인정받고 있는 연구실에서는 2009년부터 지금까지 전기화학소재를 적용한 에너지 변환 장치와 관련한 다양한 연구를 수행해오고 있으며, 이와 관련하여 지금까지 수행해 온 연구결과를 Energy and Environmental Science, Carbon, Electrochemistry Communications, Journal of Power Sources, Electrochimica Acta 등 국제저명학술지에 30편 이상 논문을 발표해오고 있다. 또한 다양한 국제학술대회에서 우수 논문상을 수여 받아 국제적으로 연구의 독창성 및 우수성을 인정받고 있다.  이와 함께 국내 에너지 저장 관련 각종 중대형 과제 기획에 참여하고 있으며, 참여하고 있는 각종 사업단 또는 연구단을 통해 세미나 및 각종 교육 프로그램을 진행함으로써 에너지 저장 및 변환 소재에 대한 연구의 방향성을 제시하고, 산학연 연구자간의 인적 네트워크 형성을 위한 노력을 경주하고 있다.

김동원 교수는 “화학공학 전공의 가장 큰 장점은 물리, 화학, 생물, 재료 등의 기초 학문과 원리를 필요한 공학적 응용 분야에 접목할 수 있다는 것이다. 본 연구실은 이와 같은 기초 과학과 공학적 지식을 겸비하고, 창의성과 문제 해결 능력을 갖춘 우수 전문 인력을 양성하는 것을 목표로 하고 있으며, 이와 함께 세계적으로 연구를 선도할 수 있는 우수한 연구 성과의 도출을 통하여 국가 과학 발전에 크게 기여하겠다”라고 밝혔다.