삼성전자, 스마트폰용 배터리 용량 2배 확대 기술 개발

25일 과학저널인‘네이처 커뮤니케이션즈’온라인에 게재

실리콘 음극 위에 고결정 그래핀을 성장시키는 기술 최초 제안

2~3년 내 상용화 …미국,유럽, 중국, 일본, 한국 등 총 5건 특허출원

‘SiC-free(Silicon carbide-free) 그래핀 직성장 실리콘 음극 소재를 이용한 고용량 고내구성 리튬이온전지 구현’ 연구 그래픽. ⓒ삼성전자

삼성전자 종합기술원이 스마트폰용 배터리와 전기차용 배터리의 용량을 2배로 늘린 기술을 개발했다.

삼성전자는 25일 상용 리튬이온전지보다 두 배에 가까운 에너지 밀도를 구현할 수 있는 그래핀 코팅 실리콘 음극소재 기술을 개발했다고 밝혔다.

그래핀은 탄소원자 6개로 이뤄진 2차원 결정성 물질로 강철보다 100배 강하고 열전기 전도성이 매우 높은 꿈의 신소재다. 삼성이 이번에 개발한 기술을 적용하면 스마트폰 이용시간을 두 배 이상 늘릴 수 있다. 이같은 성과는 세계적 과학저널인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인에 게재됐다.

업계에서는 이 기술이 향후 2~3년 내에 상용화할 수 있을 것으로 보고 있다. 리튬이온전지는 1991년에 최초로 상용화됐으나 음극이나 양극 소재의 한계로 더이상의 용량 개선 기술개발에 진전이 없었다. 특히 기존의 음극 소재인 흑연 대비 10배 이상 용량을 높일 수 있는 소재 후보로 실리콘 연구가 활발히 진행 중이지만, 전지의 충방전이 반복되면서 수명이 급격히 저하되는 기술적 난제가 있었다.

하지만 삼성전자가 이번에 이 문제를 해결할 수 있는 그래핀 코팅 실리콘 음극소재를 개발한 것이다.

삼성전자 종합기술원 연구진은 물리적 강도와 전도도가 높은 그래핀을 세계 최초로 실리콘 표면에 성장시켜 충방전중 부피 팽창으로 인한 구조 붕괴를 막는 그래핀 층을 갖는 구조의 소재를 합성했다. 특히 부피가 팽창될 때 그래핀 보호층이 슬라이딩되어 내구성을 향상시키는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 이 소재는 흑연 대비 4배의 용량을 가졌으며, 이를 통해 상용 리튬이온전지에 적용하면 2배에 가까운 에너지밀도를 구현할 수 있다.

삼성전자는 이 기술을 미국, 유럽, 중국, 한국 등에 총 5건을 특허출원됐다.

손인혁 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 “이번 연구는 고결정 그래핀의 신규 합성법을 고용량 실리콘 음극에 적용해 리튬이온전지 소재 성능을 크게 향상한 결과”라며 “모바일 기기와 전기자동차 시장의 확대에 맞춰 2차전지 기술을 지속적으로 혁신해 나갈 것”이라고 말했다.

이와함께 삼성전자 종합기술원은 나노미터 규모에서 그래핀 내의 포논(phonon) 특성을 제어할 수 있는 기술도 개발했다.

이는 네이처 커뮤니케이션즈 온라인에 ‘나노미터 규모에서의 그래핀 포논 제어’라는 제목으로 게재됐다.

아르곤(argon) 이온을 그래핀에 충돌시켜 그래핀과 기판 사이를 넓혀 수 나노미터 규모에서 순수한 그래핀 상태를 구현하는 데 성공했다.

반도체 선폭의 10분의 1 수준인 나노미터 크기로 기판과 상호작용이 작은 순수한 그래핀 영역을 생성하는 방법을 최초로 제시한 이번 연구로 국소적인 포논 특성 측정을 통해 향후 그래핀을 활용한 고집적 반도체 소자의 설계와 분석의 기반을 마련하게 됐다.