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노벨화학상, 리튬이온전지 개척자 3명에게

美구디너프, 英휘팅엄, 日요시노 수상

2019 노벨상
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지금은 충전기로 불리는 리튬이온전지 시대다.

고성능 리튬이온전지가 속속 출현하면서 에너지 혁명을 주도하고 있으며, 화석 에너지 시대를 종식시킬 수 있는 대안으로 떠오르고 있다.

올해 노벨위원회에서는 에너지 혁명을 주도하고 있는 리튬이온전지의 역할을 높이 평가했다. 지난 50여 년간 리튬이온전지 발전을 주도했던 개척자들에게 노벨화학상을 수여한다고 밝혔다.

9일 노벨화학상을 수상한 (왼쪽부터) 존 구디너프 교수, 위팅엄 교수, 그리고 요시노 아키라 교수. 노벨위원회는 이들 세 사람이 리튬이온전지 분야 개척자로 최근 에너지 혁명에 크게 기여했다고 업적을 치하했다. ⓒnobelprize.org

9일 노벨화학상을 수상한 (왼쪽부터) 존 구디너프 교수, 휘팅엄 교수, 그리고 요시노 아키라 교수. 노벨위원회는 이들 세 사람이 리튬이온전지 분야 개척자로 최근 에너지 혁명에 크게 기여했다고 업적을 치하했다. ⓒnobelprize.org

리튬이온전지로 ‘에너지혁명’ 주도  

9일 노벨위원회가 선정한 노벨화학상 수상자는 초기 리튬이온전지 개발에 크게 기여한 미국, 영국, 일본의 과학자 3명이다.

미국 텍사스대의 고체물리학자 존 구디너프(John Goodenough, 97) 교수, 미국 빙햄턴대학의 영국 출신 화학자 스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittingham, 78) 교수, 일본 미에 조(三重) 대학의 전기화학자 요시노 아키라(吉野彰, 71) 교수가 그 주인공.

노벨위원회는 기자회견을 통해 가벼우면서 재충전이 가능한 리튬이온전지가 지금 선풍을 일으키며 광범위하게 사용되고 있다고 말했다.

스마트폰에서 휴대용 컴퓨터, 전기차에 이어 태양‧풍력 에너지 저장 등에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있으며, 최근 들어서는 화석에너지를 대체할 수 있는 새로운 에너지 혁명을 주도하고 있다는 것.

위원회는 공동 수상자인 세 사람이 지금까지 리튬이온전지 성능을  고도화하는데 많은 노력을 기울였으며, 지금의 무선전지(wireless), 탈화석(fuel-free society) 시대를 여는데 크게 기여했다고 평가했다.

휘팅엄 교수, ‘인터칼레이션 원리’ 발견    

1941년 영국에서 태어나 영국 국적을 지니고 있는 휘팅엄 교수는 미국 빙햄턴 대학에서 재료과학을 연구하고 있는 화학자다.

그는 리튬이온전지의 핵심 원리인 ‘인터칼레이션 전극(intercalation electrode)’의 원리를  발견한 중요한 인물이다.

리튬이온 전지가 작동하기 위해서는 음극과 양극 두 전극 사이에서 리튬이온과 전자가 이동할 수 있어야 하는데 리튬이온전지 내에서 흑연으로 구성된 음극과 코발트산화물로 구성된 양극 사이에 이동이 이루어지고 있다.

이를 ‘인터칼레이션’이라고 하는데 리튬이온전지가 작동할 수 있는 핵심 원리로 보면 된다.

노벨위원회는 휘팅엄 교수가 “1970년대 오일 파동이 일어날 당시 초전도체에서 풍부한 에너지를 창출할 수 있는 물질인 이황화티타늄(titanium disulphide)을 발견했고, 이 물질을 음극 물질로 사용해 분자 수준에서 충전 용량을  크게 향상시켰다.”고 말했다.

구디너프 교수, 산화물 고성능 배터리 개발    

구디너프 교수는 고령에도 불구하고 고체물리학자, 재료과학자로 현재 텍사스대에 재직하면서 활발한 연구 활동을 하고 있는 인물이다.

1922년생인 교수는 97세에 노벨화학상을 수상함으로써 지난해 고령자로 물리학상을 받은 아서 애쉬킨(Arthur Ashkin, 수상 당시 96세) 교수의 기록을 제치고 역대 최고령 수상자의 자리에 올랐다.

구디너프 교수는 음극 소재 이황화티타늄 대신 산화금속을 사용해 이전보다 2배 높은 4볼트의 전력을 생산하는데 성공했다.

구디너프 교수는 음극 소재 이황화티타늄 대신 산화금속을 양극소재로 사용해 이전보다 2배 높은 4볼트의 전력을 생산하는데 성공했다. ⓒnobelprize.org

그는 휘팅엄 교수가 발견한 음극 소재 이황티타늄을 사용하던 중 이황화물 대신 산화금속을 사용하면 더 높은 전압을 발생시킬 수 있다는 생각을 하게 됐다.

그리고 산화코발트를 양극 물질로 사용해 황화물보다 2배나 높은 전압을 발생시키는데 성공했다. 노벨위원회는 “리튬이온을 지닌 코발트 산화물이 최대 4볼트를 생산할 수 있다는 사실을 증명해 더 강력한 배터리를 만들 수 있는 기반이 조성했다.”고 설명했다.

요시노 교수, 리튬이온전지 상용화 성공 

1948년 일본에서 태어난 미에 조 대학의 요시노 아키라 교수는 세계적인 리튬이온전지 업체인 일본 아사히 카세이 주식회사의 연구원을 겸임하고 있다.

그는 젊은 시절 아사히 카세이에 신입사원으로 입사해 리튬이온전지에 대한 본격적인 연구를 시작한다. 그리고 충전지의 소형화, 경량화를 위해 노력해오던 중 1980년 굿이너프 교수가 발표한 논문에 주목한다.

이황화티타늄을 음극물질로 사용해 성능을 향상시킬 수 있다는 이 논문을 바탕으로 소형화, 경량화 작업을 이어갔고, 1985년에는 마침내 특허출원을 하기에 이른다.

1991년에 노트북, 휴대전화 등에 이 리튬이온 전지를 사용한 소니를 필두로 파나소닉, 산요전지 등 많은 기업들이 구매를 확대하면서 세계적으로 상용화된 리튬이온전지의 모델로 인정받기 시작했다.

세계 최초로 안전하고 생산성 있는 리튬이온 전지를 개발한 성과를 인정받은 요시노 교수는 2년 전부터 미에 조 대학에서 강의를 시작했다.

수상 발표 후 일본 등의 반응    

한편 8번째 화학상을 받은 요시노 교수를 포함하여 일본 국적으로 노벨상을 수상한 사람의 수가 25명에 이른다.

일본 출신이지만 다른 나라 국적을 보유한 수상자 3명을 포함하면 일본 출신 노벨상 수상자는 28명에 이른다. 거의 매년 노벨상 수상자가 탄생하면서 일본은 또다시 흥분에 휩싸이고 있다.

일본 언론들은 9일 요시노 교수가 근무하고 있는 화학기업 아사히카세이에서 열린 기자회견을 대서특필하고 있는 중이다.

요시노 교수는 인터뷰를 통해 “(수상 소식에) 크게 놀랐다.”며, “아내가 힘이 빠져 주저앉을 정도”라고 강한 기쁨을 표명했다. 그는 또 “리튬이온전지 성능 향상을 위해 오랜 시간이 걸렸다.”며 그동안의 연구 과정을 회고했다.

올해까지 일본은 노벨 화학상, 8명, 물리학상 9명, 생리의학상 5명, 문학상 2명, 평화상 1명을 배출했다.

반면 노벨 생리‧의학상에 이어 물리학상, 화학상에 이르기까지 매번 다수의 수상자를 배출하고 있는 미국은 담담한 분위기다. 주요 언론들은 수상자의 감격적인 모습을 보도하지 않으며 흥분을 애써 감추는 분위기다.

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