R&D 미래 이끈다<전력경제신문 창간 16주년 특집>
밧데리 대용량화·고안전성 '실현' 
ESS 화재방지·재생e 간헐성 해소
화학/습식 중소기업 자생력 제고
스마트 전기 세계적인 강국 '견인'

전기 신소재·부품 기술 개발을 위한 한국전기연구원의 화학·습식 공정

과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관인 한국전기연구원(KERI, 원장 명성호)이 ‘미래 전기화 시대(Electrified World)’를 이끌어 갈 핵심 인프라 구축에 박차를 가하고 있다. 
올해 착공·준공을 진행한 KERI의 양대 인프라를 살펴본다.

한국전기연구원 광주 스마트그리드본부에 구축된 ‘레독스흐름전지 시험인증센터’

탄소중립 숨은 진주 ‘레독스흐름전지’ 시험인증센터

레독스흐름전지 원리

KERI가 3월 29일, 탄소중립의 숨은 진주라고 불리는 ‘레독스흐름전지’를 시험 및 인증할 수 있는 초대형 인프라를 광주지역본부(스마트그리드본부)에 구축했다.
레독스흐름전지(Redox Flow Battery)는 환원(Reduction)과 산화(Oxidation), 흐름(Flow)의 단어를 합성한 용어다.
산화·환원이라는 화학적 반응을 통해 전자가 전해액의 도움을 받아 음극(-)에서 양극(+)으로 이동하며 전기 에너지를 발생시키는 원리다. 
기존 이차전지는 양극과 음극 사이에 위치한 전해액이 전자의 흐름을 돕고, 생성된 전기 에너지를 활물질이 포함된 전극에 저장한다.
반면 레독스흐름전지는 전해액 내에 아예 활물질을 녹여 외부 탱크에 저장한 후, 펌프를 이용해 이 전해액을 전극에 공급하는 방식이다. 
이러한 과정으로 충·방전 시 전극 표면에 산화·환원 반응이 일어나고, 여기서 발생한 전기 에너지를 전해질에 저장하는 구조다. 
산화·환원 반응을 일으키는 주체가 전극이 아닌 전해액이라는 점이 기존 이차전지와 레독스흐름전지의 큰 차이다.
레독스흐름전지는 화학적 반응이 일어나는 부분과 전기를 저장하는 부분을 구분했기 때문에 출력과 용량의 독립적인 설계가 가능하고, 전지의 대용량화가 가능하다는 것이 특징이다. 
또한 이산화탄소 등 배기가스가 발생하지 않으며, 사용 후 전해액은 100% 재활용이 가능해 진정한 탄소제로를 실현할 수 있는 이상적인 친환경 전지다. 
무엇보다 전해액의 주기적인 재조정을 통해 전지를 반영구적으로 사용할 수 있고, 화재 발생 위험이 없다는 것이 큰 강점이다.
이러한 많은 장점을 가진 레독스흐름전지는 차세대 장주기 대용량 이차전지로 손꼽히고 있다. 
특히 탄소중립 시대를 맞아 스마트그리드 및 분산형 전력망 구축 등에 필요한 ESS(Energy Storage System)용으로 각광받고 있다. 
신재생에너지가 가진 전력 생산의 불안정성(간헐성)을 해결하기 위해서는 안전성과 성능이 뛰어난 대용량 ESS가 필요한데, 이러한 부분에서 레독스흐름전지가 가장 크게 주목받고 있는 것이다.
이에 KERI가 산업부 및 광주광역시의 도움을 받아 총 사업비 233.5억원을 투입해 총 10,000㎡(3,025평) 부지에 연면적 2,250㎡(680평) 규모의 ‘대용량 전력저장용 레독스흐름전지 시험인증센터’를 구축하게 됐다. 
센터 내에는 부품·소재, 스택, 모듈, 시스템 등 전지의 성능과 안전성을 평가하는 19개 항목에 대한 44점의 장비가 들어선다.
그동안에는 국내에 레독스흐름전지 전문 시험 인프라가 없다 보니 업체들이 해외에 나가야 했고, 이로 인한 경제적 부담, 제품 개발 지연, 핵심 설계기술의 국외 유출 등 많은 어려움이 따랐다. 
하지만 이번 센터 구축을 통해 국내 업체들이 빠르게 시험·인증을 받을 수 있게 되어 제품 상용화에 걸리는 기간을 대폭 단축시킬 수 있게 됐다. 
전문가들에 따르면 레독스흐름전지의 조기 상용화를 통해 ESS 시스템 구축 비용을 연간 약 30% 절감할 수 있고, 탄소중립 실현에 크게 기여할 것으로 보고 있다. 
이밖에도 센터는 국내 업체의 경쟁력 제고를 위한 각종 기술 지원과 정보 제공 업무를 수행할 예정이고, 미래 에너지 인력 양성을 위한 교육에도 힘쓴다는 계획이다. 

한국전기연구원 창원본원에 착공되는 ‘e-나노소재 화학, 습식공정 플랫폼’

E-모빌리티 소재·부품 기술 자립 위한 초대형 플랫폼
KERI가 4월 26일 창원본원에서 고부가가치 스마트 전기 신소재 및 부품 개발을 위한 190억원 규모의 ‘e-나노소재 화학/습식공정 플랫폼’을 착공했다. 
4차 산업혁명 시대 도래에 따라 우리가 사용하는 대부분의 제품에 ‘전기화(electrification)’가 진행되고 있다. 
특히 전기·수소차, 전기선박, 플라잉카/드론 등 E-모빌리티와 웨어러블 기기와 같은 스마트 전자기기 분야에서 이러한 상황이 가속화되고 있는데, 이를 지원할 전기 신소재·부품 개발은 e(전기기능)-나노소재의 활용으로부터 시작된다. 
반도체나 디스플레이가 건식 중심의 대형 나노공정 장비를 기반으로 한 대기업형 분야라면, e-나노소재 기반의 전기 신소재 개발은 중소·중견기업 중심의 다품종 소량생산 방식으로 화학/습식공정이 많이 활용된다. 
하지만 국내에는 이러한 화학/습식공정을 지원할 구심점(인프라)이 거의 없어 기업들의 기술 경쟁력 향상을 가로막는 큰 원인 중 하나였다.
이번에 KERI가 구축하는 ‘e-나노소재 화학/습식공정 플랫폼’은 전기 신소재·부품 분야의 기술 자립을 실현하고, 관련 분야 강소기업을 육성하기 위해 만드는 국내 최대 규모의 인프라다. 
총 사업비는 3년간(‘21~’23) 190억원(출연금 및 자체 재원)이다.
연면적은 6,243m2(1,888평), 부지면적 2,800m2(847평) 건물 구조는 지상 9층 및 지하 1층이다. 
위치는 KERI 창원본원에서 전기재료 분야 연구개발이 진행되는 3연구동 앞이다. 
완공은 2023년 9월 예정이다.
플랫폼(건물) 내에는 각종 화학 실험실, 대형장비(pilot plant)실, 항온항습실, 드라이룸, 정밀계측실, 배터리 충·방전 실험실, 전도성 소재 실험실, 자료분석실 등 다양한 연구 실험실이 들어선다. 
특히 습식공정은 업무 특성상 유해·위험 물질을 사용할 경우가 많고, 각종 화학 물질을 안전하게 보관해야 할 장소가 필요한데, 이번 첨단 플랫폼 착공을 통해 연구자의 안전성과 편의성, 업무 효율성을 대폭 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 
즉, 차세대 전기 신소재·부품 개발을 전폭적으로 지원하는 안정적인 연구 환경이 구축되는 것이다.
뿐만 아니라 플랫폼에서는 연구원에서 개발한 기술을 기업체에 이전하고, 성능 검증과 양산화까지 원스톱(One-stop)으로 지원하는 ‘실용화형 솔루션 센터’도 운영된다. 
단순 연구개발과 기술이전에서 멈추는 것이 아닌, 기업과의 지속적인 협업을 통해 제품 상업화 시기를 획기적으로 단축할 계획이다. 
이 밖에 지역 핵심기관·기업과의 협업 가능성도 높다는 점도 큰 강점이다. 
경남지역에는 창원 강소특구의 기술핵심기관이기도 한 KERI의 협력 기업들이 많고, 밀양 나노산단과 더불어 한국재료연구원, 한국세라믹기술원 등도 있기 때문에 ‘e-나노소재 화학/습식공정 플랫폼’이 전기재료 분야 허브 클러스터로 성장할 수 있을 것으로 기대된다.
이를 통해 화학/습식공정 분야 중소·중견기업들의 자생력을 높이고, 궁극적으로는 우리나라가 스마트 전기 신소재·부품 분야에서 세계적 강국으로 설 수 있게 만든다는 목표다.