이차전지와 태양전지 응용을 통해 본 동향과 전망

시스템의 안정성 및 내구성을 증진시킬 수 있는 차세대 소재로 부각된 이온성 액체
이온성 액체 (Ionic Liquids)란 실온에서 액체로 존재하여 액체의 장점인 고분자 물질에 대한 우수한 용해성과 금속염이라는 특징을 지니면서 이온으로서의 장점인 비폭발성, 낮은 휘발성, 열적 안정성 등을 갖는 물질을 말한다. 이온성 액체는 이차전지, 태양전지 등에 전해질 소재로 활용될 수 있으며 나노입자와의 높은 결합성을 이용해 나노복합체 합성을 위한 청정매체, 크기조절제 등으로 활용되고 있다. 화학적으로 이온성 액체는 100°C 이하에서 액체로 존재하는 유기 이온성염으로 정의된다. 사용목적에 따라 양이온과 음이온의 선택이 가능하며 이들의 다양한 조합으로 여러 가지 물리, 화학적 특성의 발현이 가능하다. 일반적인 이온성 액체의 특징은 다음과 같다.

 

위와 같은 이온성 액체의 특징 대문에 ‘미래의 전해질’, ‘미래의 청정용매’등으로 응용이 예상되고 있다. 현재 리튬 이차전지 및 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질 소재는 휘발성이 높아 발화 및 폭발의 위험성을 갖고 있는 카보네이트계 혹은 아세토니트릴계 등 유기용매에 주로 기반하고 있다. 따라서 폭발, 발화 등 사고의 위험이 있으며 누액 등으로 인한 전지의 수명 저하를 초래할 수도 있다.

이러한 위험성은 최근 전지의 대형화 및 구조 다변화 등에 제약요인으로 작용하고 있다. 실제 2005년 소니노트북 리튬 이차전지의 대량 리콜사태를 기억해 보면 그 위험성을 이해할 수 있다.

반면, 이온성 액체는 인화성이 없고 열적, 화학적으로 안정하면서도 이온성 물질로써 유용한 전기적 특성을 지니고 있기 때문에 전해질 분야에 응용 가능성이 높다. 이온성 액체를 금속나노입자 등의 나노신소재와 결합해 제조 가능한 이온성 액체 나노융합소재는 이온성 액체와 나노신소재의 장점을 시너지화 하여 리튬 이차전지의 대형화, 염료감응형 태양전지의 박막화, 플렉서블화 등을 구현하는 핵심 소재가 되고 있다. 또한 이온성 액체는 나노물질의 합성용 청정매체, 나노 구조체의 크기 조절제, 탄소나노튜브에 대한 분산제로써 성능이 매우 우수하여 다양한 나노복합체 합성을 통해 전기 소자, 광전기 소자, 바이오 센서, 환경 센서, 촉매 고정제 등 다양한 응용이 가능하다.

최근 녹색기술로 주목받고 있는 전기자동차용 이차전지의 제조와 염료감응형 태양전지의 제조에 있어서도 이온성 액체는 핵심소재로써 그 역할을 담당할 것으로 예상되고 있다. 이러한 예상은 전기자동차용 이차전지와 염료감응형 태양전지가 신성장동력분야의 전략제품으로 선정되면서 이온성 액체의 중요성이 부각되어 응용 파급효과를 고려한 것이라고 볼 수 있다.

 

이온성 액체의 세계 시장규모는 2015년까지 연평균 약 17.1%로 성장, 약 10조 6천억 원
이온성 액체 기반의 전해질, 나노복합체는 대형 리튬이차전지 미 실외용 플렉시블 태양전지의 전해질/분리막 소재로 응용될 수 있으며 시스템의 안정성 및 내구성을 증진시킬 수 있는 차세대 소재로 각광받고 있다. 사실 전해질/나노융합소재인 이온성 액체의 응용분야는 너무도 다양하나 현재 가시화되고 있는 중요 응용분야인 이차전지용 전해액과 염료감응 태양전지용 전해액 시장을 살펴봄으로써 이온성 액체의 시장 잠재성을 추정해 볼 수 있다. 이차전지의 세계시장은 2008년 36조 원에서 연평균 약 15.41%의 성장률을 보이면서 성장해 2015년에는 약 98조 원 규모에 이른다. 특히, 중대형 시장의 경우 2008년 3천6백억 원에서 2015년 약 23조 6천억 원으로 연평균 82%의 급격한 성장을 이룰 것으로 예측된다.

이중에서 전해액은 원가 비중을 고려할 때 전체 시장의 약 10%를 차지하기 때문에 2008년 3조 6천억 원 규모에 이르고 2015년까지 연평균 15%의 성장률로 성장해 9조 8천억 원 규모에 달할 것으로 예측된다.
한편, 전해액이 사용되고 있는 염료감응형 태양전지의 세계시장 규모는 2011년 약 2862억 원, 2015년에는 약 2조 원으로 예상된다. 전해액은 염료감응형 태양전지 제조단가의 약 40%로 추정되며 이에 따라 전해액의 세계 시장 규모는 2011년 약 1145억 원에서 2015년 약 8000억 원이 될 것으로 전망된다.

이차전지 전해액 소재 시장과 염료감응형 태양전지전해액 소재 시장을 이온성 액체 소재의 현실적인 잠재시장으로 가정하고 추정해 본 이온성 액체의 세계시장규모는 2011년 약 5조 6천억 원에서 2015년까지 연평균 약 17.1%로 성장해 약 10조 6천억 원 시장으로 성장할 것으로 예상된다.

국내기업 중에서 이온성 액체를 개발해 시판하고 있는 업체는 소수에 불과
이온성 액체를 전해질로 사용하는 이차전지에 대한 연구는 일본, 독일, 그리고 중국에서 활발하다. 이온성 액체를 개발하고 있는 해외기업으로는 Merck, BASF, Solvent Innovation, 아사히, 도넨 등이 있다.

국내의 이온성 액체 기반 전해질 연구는 2000년대 초반부터 연구소 및 대학을 중심으로 활발하게 진행되어왔다. 그러나 기존의 유기용매기반 전해질에 비해 낮은 사이클 특성 및 충방전 효율로 인해 이온성 액체 단독으로 사용되기 보다는 전해질 첨가제로 사용되는 연구가 주류를 이뤄왔다. 이온성 액체를 개발하고 있는 국내기업으로는 씨트리, 수양켐텍, 대림화학, 프로파워, 내스캡, 동진쎄미켐, 이건창호 등이 있다. 이중에서 씨트리와 수양켐텍이 이온성 액체 소재를 개발하고 있으며 대림화학과 프로파워는 이차전지용 나노복합 전해질 빛 분리막 합성 연구에 주력하고 있다. 네스켑은 이온성 액체 전해질 및 분리막을 활용, 대용량 리튬이차전지 시스템 개발에 주력하고 있으며 동진쎄미켐, 이건창호 등은 이온성 액체전해질을 활용한 염료감응형 태양전지 및 응용제품을 개발하고 있다.


정부의 녹색기술 지원정책에 힘입어 이온성 액체에 관한 기본소재 개발연구가 활발
이차전지와 태양전지는 녹색성장위원회가 지정한 27대 중점 녹색기술에 포함돼 있다. 최근 녹색기술 및 산업발전에 정부가 많은 지원을 하게 되면서 전기자동차용 대형 리튬 이차전지, 염료감응형 태양전지 등의 연구개발이 활발히 진행 중이다. 이온성 액체는 리튬 이차전지와 염료감응형 태양전지 전체 시스템 효율, 안정성 및 내구성을 결정하는 매우 중요한 핵심 소재이다. 국내 이온성 액체합성기술, 금속 산화물 나노 기술, 고분자 복합막 제조기술 등은 현재 상당한 수준에 이르렀다. 그러나 이들 기술을 조합해 전체적으로 전지의 안정성을 확보하는 동시에 성능의 저하 없는 전지시스템을 구현하기 위해서는 추가적인 연구개발일 필요한 것으로 판단된다.

2011 3월 발표된 중소기업 기술혁신개발사업전략과제 RFP 중에서 이온성 액체와 관련된 과제는 2건이었다. 염료감응형 태양전지를 위한 이온성 액체계 전해질 소재를 개발하는데 있어 효율 극대화에 초점을 맞춘 과제 1건과 저가화 및 대면적화에 초점을 맞춘 1건이 있다.

이들 중소기업청 지원 과제들은 상반기에 국가 R&D의 과제로 선정될 가능성이 높다고 볼 수 있다. 한편 국가과학기술지식정보서비스(NTIS) 조회 결과 최근에 중소기업 기술혁신개발사업으로 슈퍼커패시터용 이온성 액체 전해질 개발연구가 수행되었다는 사실을 알 수 있었다.

따라서 이온성 액체에 관한 기본 소재 개발 연구가 현재 활발하게 진행되고 있으며 향후 상용화 연구를 기반으로 이온성 액체계 전해질을 통한 이차전지의 대형화 및 염료감응형 태양전지의 플렉서블화 등이 현실화 될 것으로 전망된다. 대형 리튬 이온전지와 염료감응형 태양전지 분야의 경우 우리나라가 글로벌 시장을 리딩할 수 있는 가능성이 높은 분야다.

완성품 제조기업인 대기업과 부품소재 제조기업인 중소기업은 이온성 액체 전해질 개발을 통한 원천기술확보 여부에 주목할 필요가 있다고 판단된다.

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