서울공대 재료공학부 강기석 교수팀, 단결정 양극재 분야 기술적 난제 해결…배터리 성능 혁신 기대

서울공대 재료공학부 강기석 교수팀, 단결정 양극재 분야 기술적 난제 해결…배터리 성능 혁신 기대 - SK온과 공동 연구 통해 고밀도 대형 입자 단결정 양극 개발 성공- 새로운 소재 합성 방법 제시…최고 권위 학술지 Nature Energy 논문 게재- 배터리 수명·안정성·에너지 밀도 향상 가능성 확인…기술 확장성 높일 후속 연구 지속▲ (왼쪽부터) 강기석 서울대학교 재료공학부 교수, 전영준 서울대학교 재료공학부 연구원서울대학교 공과대학(이하 서울공대)은 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 SK온과의 공동 연구를 통해 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극을 개발했다고 밝혔다.이번 연구는 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시한 성과로 세계 최고 권위 학술지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재됐다. 현재 배터리 업계에서 널리 사용되는 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 균열이 발생해 수명 저하 및 가스 생성 가능성이 있다. 반면, 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이루어져 있어 쉽게 균열이 발생하지 않아 수명과 안정성이 뛰어나다. 그러나 단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시키면서 구조적 안정성까지 확보하는 것은 어려워 업계의 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정 생성에 고온∙장시간 열처리가 필요한데, 이 과정에서 양이온 무질서* 현상이 발생해 배터리 성능과 수명 저하 문제가 나타났다. *양이온 무질서(cation disorder): 니켈 기반 양극 소재에서 리튬과 니켈 이온의 비슷한 크기 때문에, 각자 있어야 할 층을 벗어나 서로 뒤섞여 배열되는 현상. 이로 인해 리튬 이온 이동이 원활하지 않아 배터리 출력, 충∙방전 속도 저하 등을 야기한다. 서울공대 연구진과 SK온은 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 합성 방법을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장**이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤, 이를 이온 교환 방식을 통해 리튬 기반으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 튼튼한 단결정 구조를 유지하면서 양극 소재를 얻을 수 있는 것이다. **결정 성장(crystal growth): 원자나 이온이 규칙적인 배열을 이루며 하나의 결정으로 점차 커지는 과정. 또한 연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목하여 화학적 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 체계적으로 분석했다. 그 결과, 기존 다결정 양극재의 이차입자와 동일한 수준인 10μm 크기의 입자를 가지며 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈***(니켈 함량 94% 이상) 단결정 양극재 개발에 성공했다. ***울트라 하이니켈(Ultrahigh nickel): 양극재 내 니켈 함량이 94%가 넘는 것을 뜻한다.  니켈 함량이 많을수록 에너지 밀도가 높아 전기차 배터리의 경우 1회 충전 시 주행거리가 늘어난다. 해당 단결정 양극재는 기계∙화학적 안정성이 뛰어나고 높은 에너지 밀도를 지닌 것으로 나타났다. 실험 결과, 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 감소했으며 가스 발생량도 다결정 양극재 대비 25배나 감소한 것으로 확인됐다. 또한 전극 밀도는 이론적 결정 밀도****의 77%를 달성했다. ****이론적 결정 밀도(Theoretical crystal density): 결함, 불순물이 전혀 없는 완벽한 결정 상태를 가정했을 때의 밀도. 서울공대 연구진과 SK온은 이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다. 아울러 한층 더 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 모색하고 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 극대화하는 연구도 검토 중이다. ■ 연구진 의견강기석 교수는 “이번 성과는 단결정 양극재의 합성 난제를 해결하고 차세대 배터리 기술 개발에 중요한 기반을 마련한 연구”라며 “앞으로도 산업계와의 긴밀한 협력을 통해 혁신적인 배터리 소재 연구를 지속할 것”이라고 말했다. 서울대 재료공학부 전영준 연구원은 “이번 연구를 통해 단결정 양극 소재의 성장 과정과 구조적 안정성에 대해 보다 상세한 이해를 얻을 수 있었다”며 “이번 결과가 배터리 성능 향상과 제조 공정 개선에 활용되어 산업 발전에도 보탬이 되기를 바란다”고 말했다. ■ 연구진 진로한편 전영준 연구원은 단결정 양극 소재의 결정 성장 메커니즘을 규명하기 위한 후속 연구를 진행하고 있다. 특히 핵심 거동을 정밀하게 이해함으로써 새로운 합성 패러다임으로 확장될 수 있는 기반을 마련하고, 소재 성능과 제조 공정의 효율성을 함께 향상시키는 연구를 지속할 계획이다. ■ 관련 이미지▲ 그림 1. 기존의 LiNiO2 양극재(좌)와 고밀도 전극 구현에 이상적인 LiNiO2 양극재(우) ▲ 그림 2. 고밀도 전극 제작 후 활물질의 상태(위)와 풀 셀 수명 특성(아래) ▲ 그림 3. 배터리 안전성 검증 결과. 가스 발생 분석(좌)과 열안정성 시험 결과(우) [참고자료]- 논문명/저널: ‘Approaching the theoretical density limit of ultrahigh-nickel cathodes via cation-disorder-free 10-μm single-crystalline particles,’ Nature Energy - DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-025-01909-3[문의사항]서울대학교 공과대학 재료공학부 강기석 교수 / 02-880-7088 / matlgen1@snu.ac.kr

서울대 RISE사업단, ‘제1회 SNU RISE 캡스톤 디자인 경진대회’ 성료

서울대 RISE사업단, ‘제1회 SNU RISE 캡스톤 디자인 경진대회’ 성료 - 6개 수업 21팀…본선 전 2팀 창업 성과 - 공학·의학·보건 분야 아우르는 융합형 캡스톤 교육 성과 입증 ▲ (왼쪽에서 8번째부터) 김재학 변리사, 우종훈 서울대 조선해양공학과 교수, 안성훈 서울대 기계공학부 교수, 이기하 사제 파트너스 대표  서울대학교 RISE 사업단은 최근 관악캠퍼스에서 ‘제1회 SNU RISE 캡스톤 디자인 경진대회’를 개최하고, 총 6개의 캡스톤 디자인 수업에 참가한 21개 팀 가운데 우수팀을 최종 선정했다고 밝혔다.이번 경진대회는 2025학년도 2학기 중 운영된 캡스톤 디자인 수업에 참여한 팀들을 대상으로 서류 심사를 실시해 본선 진출팀을 선발한 뒤, 본 대회에서 기술 완성도와 사업성을 종합 평가하는 방식으로 진행됐다. 단순한 교육 성과의 발표를 넘어, 산업 및 사회 문제 해결과 창업 연계로 목표로 기획된 대회다. 서울대의 여러 단과대학과 전공에서 진행된 총 6개 캡스톤 디자인 수업이 이번 대회에 참여했다. 특히 지난 학기 서울대 공과대학은 RISE 사업의 일환으로 신설된 ‘학제간 캡스톤 설계’ 수업에서 경영, 경제, 기계, 재료, 물리교육 등 다양한 전공의 학생들이 팀을 이뤄 사회 및 기업 현장의 문제를 해결하는 프로젝트를 진행했다. 그 중 두 팀은 수업 중 창업에 성공했고, 일부 팀은 실제로 프로젝트로 매출을 거두며 교육 성과가 실질적 사업 활동으로 이어지는 사례를 만들었다. ‘스마트 제조 및 응용(Smart Manufacturing and Applications)’과 ‘스마트 제조 실험(Smart Manufacturing Lab.)’ 수업에서 센서·IoT·AI·디지털 트윈 기술을 제조 현장에 적용하는 프로젝트를 진행했다. 여기서 학생들은 실습을 통해 해당 기술로 실제 공정 문제를 해결하며, 4차 산업혁명(Industry 4.0) 기반의 스마트 제조 구현 역량을 강화했을 뿐만 아니라 일부 팀은 특허를 출원했다. 그리고 ‘다학제 창의적 제품개발’ 수업에 참여한 학생들은 2025년 호주에서 열린 ‘월드 솔라 챌린지(World Solar Challenge, WSC)’ 대회에 참가한 경험을 바탕으로 태양광 차량의 에너지 효율, 공력 성능, 모듈 배치, 제어 알고리즘 등을 분석·개선하는 프로젝트를 수행해 차세대 지속가능 모빌리티 설계 역량을 한층 높였다.또한 서울대 의과대학이 실제 의료 데이터를 활용해 AI 기반 의료 시스템을 설계하는 ‘글로벌 캡스톤 프로젝트’ 수업을 진행하고, 치의학대학원은 다문화가정의 구강건강 문제를 해결하는 ‘치의학 사회공헌 캡스톤’ 수업을 운영하는 등 서울대는 공학·의학·보건 분야를 아우르는 융합형 캡스톤 교육을 선보였다.‘제1회 SNU RISE 캡스톤 디자인 경진대회’의 최종 심사에서는 해외 벤처캐피탈 ‘사제 파트너스’ 이기하 대표, AI 융합 연구를 수행 중인 서울대 조선해양공학과 우종훈 교수, 특허 지원 및 스타트업 기술 사업화 경험이 풍부한 김재학 변리사가 평가에 참여했다. 특히 미국 뉴욕에서 한인 창업가 약 1만 명이 모이는 행사 ‘꿈(Koom)’을 개최하는 등 글로벌 한인 창업 생태계 형성과 네트워크 확장에 기여해 온 이기하 대표는 이번 대회에서 글로벌 시장에서의 성장 가능성에 주안점을 두고 평가를 진행했다.그 결과, 반려견용 로봇을 개발한 ‘PawBuddy’ 팀이 1위의 영예를 안았다. 2위와 3위는 각각 AI Agent 기반 예진 시스템을 개발한 ‘AllerVision’ 팀, 음압 기반 무주사 약물 전달 시스템을 개발한 ‘스마트 제조 및 응용 Team7’ 팀이 차지했다. 각 팀의 성과는 기술적 완성도는 물론 실제 사회·산업 적용 가능성 측면에서도 높은 평가를 받아 많은 관심을 끌었다. 세 우수팀은 장학금을 수여받았고, 창업팀들은 팀별로 1,000만 원의 창업 지원금도 제공받을 예정이다. 또한 싱가포르 과학·기술·문화 탐방에 참가해 글로벌 기술 트렌드와 산업 생태계를 직접 경험하는 기회도 누린다. 한편, 서울대의 ‘학제간 캡스톤 설계’ 수업은 다음 학기에도 사회 및 기업 문제 해결에 관심 있는 다양한 전공의 학생들을 모집하고, RISE 사업단은 여러 단과대학의 캡스톤 디자인 수업들을 지원할 계획이다. 대회를 주관한 서울대 RISE사업단 안성훈 교수는 “이번에 서울대에서는 처음 개최한 경진대회를 통해서, 학제간 협업과 AI의 활용이 학생 창업을 촉진하고 기업과 사회의 문제를 해결하는 매우 중요한 요소임을 느꼈고, 다양한 종류의 캡스톤 디자인 교육을 매년 200명 이상에게 제공할 계획”이라고 밝혔다.[문의]이경태 서울대학교 RISE 사업단 책임연구원 / 02-880-1895 / lekyta83@snu.ac.kr

서울공대 강승균·이태우·최우영 교수, ‘2025 국가연구개발 우수성과 100선’ 선정

서울공대 강승균·이태우·최우영 교수, ‘2025 국가연구개발 우수성과 100선’ 선정 ▲ (좌측부터) 강승균 서울대 재료공학부 교수, 이태우 서울대 재료공학부 교수, 최우영 서울대 전기정보공학부 교수 (가나다순) 서울대학교 공과대학(이하 서울공대)은 과학기술정보통신부가 주관하는 ‘2025년 국가연구개발 우수성과 100선’에 강승균·이태우·최우영 교수(가나다순)의 연구성과가 최종 선정됐다고 밝혔다. ‘국가연구개발 우수성과 100선’은 정부 지원을 받아 수행된 연구 중 학술적 가치와 경제적 파급 효과가 뛰어난 성과를 선정하는 제도로, 국가연구개발사업을 수행하는 각 부처가 추천한 연구개발 성과 가운데 우수성과를 선정한다. 올해는 총 970건의 후보 성과를 대상으로 전문가 평가와 대국민 공개 검증을 거쳐 최종 100건이 선정됐다.기계·소재 분야에서는 재료공학부 강승균 교수가 개발한 ‘형상기억 생분해 고분자 기반 주사형 전자텐트로 구현한 전주기 최소침습 뇌 인터페이스 플랫폼’이 선정됐다.강승균 교수팀은 광범위한 절개, 고정 시술, 제거 수술이 필수적인 기존 뇌 인터페이스 기술의 구조적 한계를 극복하기 위해 형상기억·생분해성 전자소자 플랫폼이라는 새 접근법을 제시했다. 이 플랫폼은 직경 5밀리미터(mm) 이하로 접힌 전자텐트가 주사기를 통해 체내에 삽입된 뒤 체온(36~37°C)에 반응해 약 200배 크기로 자동 전개되고, 사용 후에는 체내에서 자연 분해되는 기술로, ‘전주기 최소침습’ 뇌 인터페이스를 세계 최초로 구현한 성과라는 평가다. 특히 이번에 우수성과 100선으로 선정된 핵심 기술은 PLCL–PLGA 기반 형상기억 고분자와 방사형 기계 전개 구조를 결합한 ‘전자텐트(electronic tent)’ 플랫폼으로, 이를 통해 삽입 과정에서의 조직 손상 최소화와 대면적 뇌 신호 측정이 가능해졌다. 해당 연구는 지난 2024년 국제 저명 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 실리며 그 기술적 우수성을 세계적으로 인정받은 바 있다. 형상기억 고분자·생분해 전자소자·연성 무선 회로를 통합한 새로운 생체 인터페이스 패러다임을 제시한 해당 기술은 향후 뇌전증·파킨슨병·뇌졸중 등 신경계 질환 진단 및 중재, 척수·심장·위장관 등 곡면 장기 인터페이스와 차세대 뇌–기계 인터페이스(BMI) 분야에서 널리 활용될 것으로 기대를 모은다.강승균 교수는 “이번 성과는 뇌–기계 인터페이스(BMI)의 실용화 과정에서 가장 큰 장벽으로 지적돼 온 침습성과 심리적 거부감을 실질적으로 낮추는 데 기여했다는 점에서 의미가 크다”며 “BMI 기술이 연구 단계를 넘어 실제 임상과 사회 전반으로 확산되는 데 중요한 전환점이 되길 기대한다”고 밝혔다.정보·전자 분야에서는 재료공학부 이태우 교수가 개발한 ‘차세대 고효율·고색순도 하이브리드 탠덤 페로브스카이트 발광다이오드’, 전기정보공학부 최우영 교수가 개발한 ‘토션 비아 구조를 적용한 고내구성·초저전력 삼차원 집적 나노전기기계 비휘발성 메모리 소자/회로’가 선정됐다. 기존 디스플레이 기술의 한계를 넘기 위해 차세대 소재인 페로브스카이트(Perovskite)에 주목한 이태우 교수팀은 글로벌 디스플레이 시장의 패러다임을 바꿀 혁신적 기술을 선보였다. 현재 상용화된 유기발광다이오드(OLED)나 양자점발광다이오드(QLED)는 색 순도 면에서 근본적 한계를 지녀 차세대 색 표준인 Rec.2020을 완벽히 구현할 수 없었다. 이에 연구팀은 높은 색 순도의 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)와 실용성이 검증된 OLED를 수직으로 적층한 ‘하이브리드 탠덤 PeLED’를 고안했다. 이는 낮은 효율과 짧은 수명이라는 단일 PeLED의 고질적 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적 연구 전략으로 평가받는다. 외부양자효율(EQE) 37%의 세계 최고 성능, 기존의 단일 PeLED 대비 수백 배 이상 늘어난 약 5,600시간의 수명을 확보한 PeLED을 제시한 해당 연구는 그 독창성과 우수성을 인정받아 세계적 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 표지 논문으로 게재됐다. 향후 해당 기술은 페로브스카이트 발광 소자의 상용화를 위한 설계 플랫폼을 구축해 후속 융합 연구를 촉진할 예정이다. 또한 연평균 약 40%의 고성장이 예상되는 XR(확장현실) 및 초실감 디스플레이 시장을 선점하고, 글로벌 시장에서 한국 디스플레이 산업의 리더십을 공고히 하는 데 기여할 전망이다.이태우 교수는 “본 연구실에서 태동시킨 기술이 상용화에 근접하게 발전한 모습을 보니 깊은 감동과 희망을 느낀다”며 “이 기술이 실제로 제품화되어 세계 시장을 선도할 수 있도록 정부와 산업계의 지속적인 관심과 투자가 이어지길 기대한다”고 소감을 밝혔다.최우영 교수팀은 기존에 수동적으로만 활용되던 CMOS 배선층에 나노전기기계(NEM) 메모리 소자를 직접 3차원으로 집적하는 새 접근법을 제시했다. 이를 통해 초저전력·무누설전류·급격 스위칭이라는 NEM 고유의 장점을 유지하면서도, 그동안 실용화의 걸림돌이었던 신뢰성 문제의 해결에 성공했다. 특히 이번에 우수성과 100선으로 선정된 핵심 기술은 비틀림(토션)을 허용하는 비아 앵커(Torsional-Via-Assisted, TVA) 구조의 NEM 메모리 소자로, 연구팀은 이 소자의 반복 구동 시 발생하는 기계적 스트레스의 집중을 효과적으로 분산시켜 기존에 비해 약 5배 향상된 내구성과 안정적인 동작을 실증했다. 해당 연구는 지난 2024년 국제 저명 학술지 ‘IEEE Electron Device Letters’의 12월호 표지논문으로 선정되며 학문적·기술적 가치를 인정받은 바 있다. 또한 최 교수팀은 NEM 메모리 소자를 이용해 물리적 복제불가 함수 및 연상형 메모리를 구현한 연구 결과를 세계적 국제 학술지 ‘Advanced Intelligent Systems’ 2025년 7월호와 9월호에 각각 표지 논문으로 게재했다. CMOS 배선층을 능동 소자 공간으로 확장하는 새로운 3차원 집적 패러다임을 제시한 해당 기술은 향후 초저전력 메모리, AI·엣지 컴퓨팅용 반도체, 고에너지 효율 시스템 반도체 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대된다.최우영 교수는 “본 연구는 기존의 반도체 기술 자산을 최대한 활용하면서도 완전히 새로운 반도체 소자·공정·설계·모델링 기술을 개발, 통합해야 하는 매우 도전적인 과제”였다며 “도전의 여정에서 많은 시행착오를 겪으며 성실히 연구를 수행한 연구실 학생들과 공동 연구자 분들께 깊은 감사를 드린다”고 소감을 밝혔다. [문의]서울대학교 공과대학 대외협력실 배장윤 직원 / 02-880-9147 / jybae311@snu.ac.kr