- ‘박막 전지의 계면 안정화 및 고에너지화’ 동시 해결
- 차세대 소형 전자기기 및 전고체 배터리 상용화에 ‘한 걸음 더’

동국대학교(총장 윤재웅) 공과대학 에너지신소재공학과 김현석 교수 연구팀이 차세대 고성능 박막 리튬이온전지 개발 성과를 세계적으로 권위 있는 학술지 Chemical Engineering Journal (IF: 13.2)과 Journal of Materials Chemistry A (IF: 9.5)에 연이어 발표했다. 김현석 교수팀의 이번 성과는 '박막 전지의 계면 안정화와 고에너지화'라는 두 가지 핵심 과제를 동시에 해결하며, 차세대 소형 전자기기 및 전고체 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가선 연구로 평가받고 있다.

첫 번째 성과는 Chemical Engineering Journal에 게재된 “Pioneering Energy Storage Using Facing-Target Sputtered Al2O3 Protection Layer on Ni-Rich NCM622 Cathode for High-Efficiency All-Solid-State Thin-Film Batteries” 연구다. 연구팀은 페이싱 타겟 스퍼터링(Facing-Target Sputtering, FTS) 기술을 이용해 두께 약 1nm의 Al2O3 보호막을 NCM622 박막 양극 표면에 증착하여 양극–전해질 계면을 안정화했다.

이 방법은 기존에 널리 사용되는 플라즈마 기반 원자층 증착(PEALD) 대비 플라즈마 손상을 방지하고, 더욱 치밀하고 균일한 코팅층 형성이 가능하다. 그 결과, 액체 전해질 셀에서 400사이클 후에도 91%의 용량을 유지했고, LiPON 고체 전해질을 적용한 전고체 박막 전지에서는 50.98 mWh/cm3의 에너지 밀도를 달성했다. 김 교수는 “손상 없는 Al2O3 코팅 기술이 고성능·고내구성 전고체 박막 전지 구현에 효과적임을 입증했다”며, IoT 기기, 의료용 임플란트, 방산 전자기기 등 차세대 소형 전자기기 전원 공급에 새로운 가능성을 열었다고 밝혔다.

두 번째 성과는 Journal of Materials Chemistry A에 실린 “Optimization of thin-film Li1.0Ni0.6Co0.2Mn0.2 cathode enabled by rapid thermal processing in oxygen-rich environments for superior performance” 연구다. 동국대, 건국대, 현대자동차로 구성된 공동 연구팀은 RF 마그네트론 스퍼터링으로 NCM622 박막 양극을 제작한 뒤, 산소 농도가 높은 환경에서 600℃ 급속 열처리(RTA)를 적용해 Pt hillock 형성 억제, 미세균열 최소화, 양극–전해질 계면 안정성 향상 등을 이뤄냈다.

연구 결과, 646.8 mAh/cm3의 높은 부피 용량과 100사이클 후 81.06%의 용량 유지율을 기록했으며, 실리콘 박막 음극과의 full-cell 구성에서도 50사이클 후 80.4% 용량을 유지해, IoT 전자기기 및 의료 임플란트 등 소형화 배터리 응용 가능성을 입증했다. 김 교수는 “산소 환경에서의 급속 열처리는 차세대 박막 리튬이온전지의 안정성과 고에너지 밀도를 동시에 확보할 수 있는 확장성 있는 공정 전략”이라고 강조했다.