정보 분석 기업 엘스비어(Elsevier)는 지난해 9월 세계 상위 2% 시노 스 토토사이트자 명단을 발표했다. 세계 상위 2% 시노 스 토토사이트자 수는 대학이 보유한 세계적 수준의 시노 스 토토사이트 경쟁력을 갖춘 시노 스 토토사이트자의 수를 나타내는 것으로, 한양대는 102명이 명단에 이름을 올렸다.

전기차와 스마트폰을 넘어 도심 항공 모빌리티(UAM)까지, 우리 삶의 모든 영역에는 배터리 기술이 깊게 자리하고 있다. 세계 상위 2% 연구자 명단에 이름을 올린 김동원 화학공학과 교수를 만나 K-배터리의 현재와 미래에 대한 깊이 있는 이야기를 들어봤다.

세계 상위 2% 연구자 선정 소감에 대해 김 교수는 “대단한 성과를 낸 것도 아닌데 부끄럽다”고 겸손하게 입을 열었다. 그는 “이번 선정은 제 개인의 능력보다는 함께 연구해 온 제자들과 공동 연구자들의 노력이 집약된 결과였다”고 말했다.

이번 성과는 K-배터리 기술 경쟁이 치열한 현시점에서 개인적 영광 이상의 의미가 있다. 김 교수는 “이번 선정은 한국의 배터리 기술 역량이 세계적으로 인정받고 있음을 보여주는 성과다”며 “단순히 논문 수치가 아니라 산업과 학문에 파급력을 주는 연구 성과가 국제적으로 인정받았다는 점에서 의미가 있다”고 강조했다.

김 교수를 세계적인 연구자 반열에 올린 핵심 연구 분야는 ‘전고체 배터리(All-Solid-State Battery)’다. ‘꿈의 배터리’로 불리는 이 기술은 상용화된 리튬이온 배터리의 가장 큰 약점인 화재와 폭발 위험성을 원천적으로 차단하는 대안으로 꼽힌다. 액체 전해질을 불연성의 고체로 대체하고, 에너지 밀도를 극대화하는 리튬 금속 음극을 사용하기 때문이다.

김 교수가 이끄는 전기화학소재연구실은 전고체 배터리 상용화를 위한 ‘계면 불안정성’ 문제 해결에 집중했다. 그는 “리튬 금속 음극과 고체 전해질 사이에서 발생하는 계면 불안정성이 가장 큰 난제였다”며 “이를 해결하기 위해 화학적·기계적 안정성을 동시에 갖춘 보호층을 설계했다”고 설명했다. 그 결과 높은 에너지 밀도를 확보하면서도 긴 수명과 높은 안전성을 동시에 달성하는 혁신적인 기술을 제시했다.

최근 SK온과 공동 연구를 통해 발표한 ‘상온 구동 전고체 배터리 기술’은 이러한 연구의 결정체다. 연구팀은 새로운 리튬 금속 표면 개질 기술을 개발해, 충·방전 과정에서 배터리의 수명과 안전성을 저해하는 ‘덴드라이트(dendrite)’ 형성을 억제하는 데 성공했다. 이 기술은 기존 방식보다 공정이 단순하고 비용이 저렴해 대규모 양산에 유리하며, 고에너지밀도 전고체 배터리의 상용화 가능성을 한 단계 끌어올렸다는 평가를 받았다.

김 교수는 “전고체 배터리가 성공적으로 상용화된다면 우리의 일상이 혁신적으로 변화할 것이다”고 말했다. 전기차는 한 번의 충전으로 800~1,000km 주행이 가능해지고 충전 시간은 내연기관차 주유 시간만큼 단축할 수 있다. 무엇보다 화재 위험이 사라져 안전성이 획기적으로 개선된다. 이에 따라 자율주행차, 도심 항공 모빌리티(UAM), 웨어러블 기기, 에너지 저장 장치(ESS) 등 다양한 미래 산업의 폭발적인 성장을 이끌 것이란 전망이다. 김 교수는 “전고체 배터리 외에도 기존 리튬이온전지 공정과 호환성이 높아 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 ‘반고체전지’와 차세대 기술로 주목받는 리튬-황 전지, 나트륨 이온 전지 등도 주목된다”고 덧붙였다.

화려한 연구 성과 뒤에는 연구자로서 김 교수의 묵묵한 발자취가 있었다. 김 교수는 자신을 천재가 아닌 '노력형 연구자'로 소개했다. 그는 "머리가 좋은 사람보다는 노력하는 사람이다”며 "최선을 다해 노력한다"고 말했다. 그는 "이러한 철학을 바탕으로 전기화학소재연구실에서 함께하는 후배들에게도 실패를 두려워하지 말고, 열정을 가지고 연구에 최선을 다해 더 큰 성과를 낼 것을 다독인다"며 “꾸준함과 성실함은 불가능해 보였던 차세대 배터리 연구의 난제들을 풀어가는 원동력이었다”고 덧붙였다.

김 교수의 연구가 특별한 이유는 실험실에만 머무르지 않고 항상 산업 현장과의 연결고리를 찾는 데 있다. 김 교수는 “실험실에서 끝나는 연구가 아닌 산업 현장에 쓰이는 기술을 목표로 한다”고 확고한 연구 철학을 전했다. 그는 이를 ‘브릿지 연구(Bridge Research)’로 표현하며 ‘산업적 확장성’과 ‘학문적 가치’ 간 균형의 중요성을 강조했다.

김 교수가 이끄는 전기화학소재연구실은 SK온, LG에너지솔루션, 삼성SDI 등 국내 배터리 3사 및 현대자동차, 포스코홀딩스 등의 기업과 긴밀한 산학협력 관계를 이어오고 있다. 김 교수는 “기업과의 협업은 현장의 기술적 어려움을 파악하고 이를 해결하는 과정이다"며 "그 속에서 더 큰 연구적 시너지가 창출된다”고 말했다.

김 교수는 “K-배터리가 세계 시장을 선도하기 위해서는 원천 소재와 차세대 기술 개발에서 중국 등 경쟁국과의 경쟁이 관건이다”며 “학계 연구자로서 K-배터리의 글로벌 리더십 확보에 기여하고 싶다”는 포부를 전했다.

미래의 세계적인 연구자를 꿈꾸는 후배들에게는 따뜻한 격려의 메시지를 전했다. 그는 “연구는 실패와 도전의 연속이다”며 “작은 성과가 쌓여 큰 혁신으로 이어진다는 것을 잊지 않기를 바란다”고 당부했다. 덧붙여 그는 “무엇보다 실패를 두려워하지 말고 열정을 갖고 최선을 다하는 한양인을 기대한다”고 마지막 말을 남겼다.