입력 2025.12.09 15:51
- 2차원 이미지 기반 고정합성 3차원 분리막 미세구조 형성 기술 개발
- 구조-성능 상관 규명, 향후 맞춤형 분리막 설계 가능성 제시
- 에너지 분야 세계 최고 수준 저널 Advanced Energy Materials 게재
연세대학교 화공생명공학과 이용민 교수 연구팀(공동1저자 신유영 학생, 김수환 박사)은 한화토탈에너지스 김완근 상무 연구팀과의 배터리공학과 산학 프로젝트를 통해, 배터리 분리막의 미세구조를 실제와 유사한 수준으로 가상 공간에 재현하고 설계에 따라 달라지는 내부 구조 변화와 전기화학적 특성을 예측할 수 있는 디지털 트윈 프레임워크(Digital Twin Framework)를 개발했다. 이 기술을 활용하면 실제 실험을 거치지 않고도 분리막 구조 설계와 성능 검증이 가능해져, 차세대 배터리 개발의 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
배터리 분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 막는 다공성 막으로, 안전성과 수명을 결정짓는 핵심 소재다. 이를 위해 고온·고압 등 극한 환경에서도 구조적 안정성을 유지하는 고분자 소재와 코팅 기술이 연구돼 왔다. 그러나 분리막은 열·기계적 안정성뿐 아니라 미세구조의 형태와 연결성에 따라 이온 수송 특성이 크게 달라지기 때문에, 구조–성능의 정량적으로 정확히 파악하는 것이 차세대 분리막 설계의 핵심 과제로 여겨져 왔다.
하지만 기존 3차원 구조법은 분석 과정 중 고분자 구조를 쉽게 손상시키거나 수~수십 나노미터(nm) 수준의 미세 기공을 정밀하게 관찰하기 어렵다는 한계를 지녔다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 분리막을 손상시키지 않으면서도 실제 구조와 높은 유사성을 갖는 가상 3차원 구조체를 생성하는 디지털 트윈 기술을 제안했다.
이번에 개발된 기술은 분리막 표면 이미지로부터 섬유의 두께·배향 정보를 추출한 뒤, 이를 기반으로 확률론적 구조 생성 기법을 적용해 가상공간에서 3차원 섬유 네트워크를 구축하는 방식으로 구현된다. 연구팀은 한화토탈에너지스로부터 초고분자량 폴리에틸렌(VHMWPE)의 중합 촉매 및 고분자 설계 기술을 통해 기공도·기공 크기·두께·이온전도도를 정밀 제어한 서로 다른 두 종류의 분리막을 제공받았으며, 이를 디지털 트윈 구조체와 비교했을 때 높은 정합성을 확인했다.
디지털 트윈 모델에서는 분리막 내부의 리튬 이온 플럭스, 농도 분포, 기공 연결성 등 미세구조 기반 전기화학 거동을 수치적으로 계산할 수 있다. 특히 확률론적 구조 생성 기법을 활용해 기공도·기공 크기 등을 독립적으로 조절하며, 각 인자가 유효 이온전도도에 미치는 영향을 규명한 것이 중요한 성과다.
이를 통해 특정 목표 성능에 최적화된 분리막 구조를 사전에 탐색할 수 있는 시뮬레이션 플랫폼으로 확장됐으며, 제안된 설계 전략을 토대로 실제 동일 구조의 분리막을 실험적으로 제작·측정하여 비교해 모델의 신뢰성도 검증했다.
이용민 연세대 화공생명공학과(배터리공학과 겸임) 교수는 “분리막의 3차원 미세 구조를 가상공간에서 구현하고 성능까지 예측할 수 있다는 점에서 구조에 대한 이해가 한층 깊어졌을 뿐 아니라, 반복 실험의 부담도 크게 줄일 수 있어 분리막 분석과 설계 효율을 획기적으로 높일 수 있는 성과”라며 “이번에 구축한 디지털 트윈 모델은 향후 고성능 AI 기반 배터리 설계 플랫폼의 핵심 데이터로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 국가과학기술연구회, 한국산업기술진흥원, 한화토탈에너지스의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지·연료 분야 최상위권 국제 학술지인 어드벤스드 에너지 머터리얼스 (Advanced Energy Materials, JCR: 상위 2.5%)에 게재됐다.