존 구디너프

존 구디너프(John B. Goodenough)

존 구디너프(John B. Goodenough)는 독일 태생 미국 고체물리학자이며 리튬 이온 배터리를 개발하여 화석연료 없는 무탄소 사회의 토대를 마련한 공헌으로 2019년 97세 나이로 스탠리 휘팅엄 및 요시노 아키라와 함께 노벨 화학상을 수상하여 최고령 노벨상 수상자로 되었다.

생애

존 구디너프는 1922년 7월 25일 독일 예나(Jena)에서 태어났으며 부모는 미국인이다. 1944년 예일 대학교 수학과 학사를 졸업하고 제2차 세계 대전에 기상학자로 미군에 군복무를 하고 1952년 시카고 대학교 물리학 석사와 박사 학위를 취득했다. 매사추세츠 공과대학(MIT) 링컨연구소에서 박사 후 연구원 과정을 마치고 1976년까지 재직했다. 1950년대 컴퓨터의 램(RAM) 개발팀에서 진행된 연구는 1970년대 리튬-이온 배터리 개발로 이어졌다. 1976부터 1986년까지 옥스퍼드대학 무기화학연구소의 교수를 지냈고 1986년부터 미국 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 기계공학과 교수로 재직하였다.

1970년대 오일쇼크와 환경 문제가 대두되자 석유 및 자동차 회사들은 천연자원인 화석연료를 대체하는 에너지 개발에 관심을 가졌다. 이러한 상황에서 미국 정부는 에너지 혁신 국책사업을 설정하고 구디너프 박사가 소속한 MIT 링컨연구소에 연구 자금을 투입했다. 구디너프는 전기에너지의 저장 및 보존 가능한 리튬 이온 배터리 연구에 매진했는데 특히 1976년 위팅엄 박사가 최초로 개발한 2V 리튬 이온 배터리의 단점이었던 내구성 보완에 집중했다. 리튬 이온 배터리는 양극(+)과 음극(-)의 두 전극 사이에 전자(e-)가 이동하여 전기에너지로 일으키는 장치이다. 구디너프는 리튬에서 나온 전자를 받는 양극 소재로 위팅엄이 사용한 타이태이늄 황산화물(titanium disulfide) 대신 에너지 밀도가 높고 유사한 분자 구조를 가진 리튬 코발트 산화물(Lithium cobalt oxide)로 대체하여 기존의 2배 출력인 4V 배터리 개발에 성공했다. 4V는 휴대전화의 전원으로 사용할 수 있는 전압이다. 구디너프는 가볍고 재충전이 가능한 리튬 이온 배터리 개발 역사의 계보를 잇는 스탠리 휘팅엄 및 아키라 요시노와 공동으로 2019년 노벨 화학상을 수상했다. 노벨위원회는 휴대전화, 노트북, 전기차 등에 사용되며 태양과 풍력 에너지의 저장을 가능하게 하여 화석연료 없는 깨끗한 사회의 기반을 마련했다고 평가했다. 그밖에 2009년 미국에너지부 주관 엔리코 페르미(Enrico Fermi)상, 2011년 전미과학상, 2014년 찰스 스타크 드레이퍼(Charles Stark Draper)상, 2017년 웰치(Welch)상 화학 분야, 2019년 영국왕립학회 주관 코플리메달(Copley Medal) 등을 받았다.

주요 성과

코발트 산화물을 양극으로 사용해서 개발한 리튬 이온 배터리

리튬인산철(LiFePO4) 배터리 구조

• 리튬 이온 배터리

옥스포드 대학교에 재직중이었던 구디너프 박사는 배터리의 양극 소재를 사용한다면 효율성과 안전성이 향상된 리튬-이온 배터리를 만들 수 있을 것이라고 예견했다. 그는 코발트 산화물(Cobalt oxide)이 타이태이늄 황화물과 비슷한 분자 구조로 이루어진 것을 발견하고 양극을 이 소재로 대체해서 사용했더니, 리튬 금속이 새어 나오는 현상이 일어나지 않았을 뿐 아니라, 휘팅엄의 배터리보다 두 배인 4 volt의 전압을 제공해 주었다.

• 리튬인산철

리튬인산철(Lithium Iron Phosphate, LiFePO ₄, LFP,磷酸铁锂)은 리튬 인산철 배터리 양극 소재로 화학식은 LiFePO₄이다. LFP는 LCO에서 코발트 대신 인산철이 들어간 LFPO 구성으로, FPO로도 불리는 양극재다. 중국의 대표적인 배터리 업체 CATL이 LFP 배터리에 주력하고 있으며, 테슬라에 전기차용 배터리로 공급하고 있기도 하다. LFP의 경우 구성에서 알 수 있듯이 코발트와 니켈 등 고가 금속들이 아예 들어가지 않기 때문에, 코발트나 니켈을 포함한 다른 양극재들과 비교해 가격적 매력이 매우 높다. 또한 올리빈(Olivine) 구조를 가지고 있어 안전성 확보가 쉬워 차량용 2차전지에 활용하기에도 기술적 난도가 낮은 편이다. 1990년도 후반에 텍사스 주립대학교의 교수인 존 굿이너프(John B. Goodenough)에 의해서 발명되었다. 굿이너프 교수는 LFP 원천특허 2건을 보유하고 있으며, 상용화 연구를 계속 추진하여 다양한 응용 특허들을 계속 출원하고 있다.

• 초교환 상호작용

MnO, MnF₂와 같은 전이금속 화합물에서 나타나는 반강자성을 설명하기 위해서 도입된 상호작용이다. 이 초교환 상호작용에 스핀-궤도 결합 효과를 포함시키면 비등방성 초교환(Dzyaloshinskii-Moriya: DM) 상호작용이 된다. 이 비등방성 초교환 DM 상호작용으로 α-Fe₂O₃, MnCO₃, CrF₃ 등에서 나타나는 약강자성을 설명할 수 있다.

• 랜덤 액세스 메모리

램(RAM)은 임의의 영역에 접근하여 읽고 쓰기가 가능한 주기억 장치이다. 반도체 회로로 구성되어 있다. 흔히 RAM을 읽고 쓸 수 있는 메모리라는 뜻으로 알고 있는데 이것은 오해다. RAM은 어느 위치에 저장된 데이터든지 접근(읽기 및 쓰기) 하는 데 동일한 시간이 걸리는 메모리이기에 ‘랜덤(Random, 무작위)’이라는 명칭이 주어진다. 반면 하드 디스크, 플로피 디스크 등의 자기 디스크나 자기테이프는 저장된 위치에 따라 접근하는 데 걸리는 시간이 다르다.

현황

SK이노베이션은 2019년 노벨 화학상 수상자인 존 굿이너프(John B. Goodenough) 미국 텍사스대학교 교수와 함께 차세대 배터리 기술 개발에 나선다고 2020년 7월 30일 밝혔다. 98세인 굿이너프 교수는 지난해 노벨상을 받을 때 역대 최고령 수상자로 화제를 모은 인물이다. SK이노베이션과 굿이너프 교수는 차세대 배터리 중 하나로 평가받는 리튬 메탈(Lithium-Metal) 배터리를 구현하기 위한 고체전해질 연구를 진행한다. 리튬 메탈 배터리를 만들기 위해서는 덴드라이트(Dendrite, 수지상결정, 樹枝狀結晶) 현상을 해결해야 한다. 덴드라이트는 배터리를 충전할 때 리튬이 음극 표면에 적체하며 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체로, 배터리 분리막을 훼손해 수명과 안전성을 낮춘다. SK이노베이션은 굿이너프 교수와 공동 개발하는 고체 전해질이 덴드라이트 현상을 막을 것으로 보고 있다. 기존 액체 상태 전해질에서 이온이 불균일하게 리튬 금속과 접촉하며 덴드라이트가 생기는 반면 고체 전해질에서는 이온의 움직임을 통제하기 쉬워져 덴드라이트를 막을 수 있다는 설명이다. SK이노베이션에 따르면 현재 주류를 이루는 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도 한계치가 800Wh/L정도로 거론되나, 리튬 메탈 배터리는 에너지 밀도를 1천Wh/L 이상으로 크게 높여 부피를 줄일 수 있다. 이에 따라 전기차에 더 많은 배터리를 탑재해 주행거리를 크게 늘리거나 차체를 가볍게 만들 수 있다. 이성준 SK이노베이션 기술혁신연구원장은 리튬이온 배터리 시대를 개척해 배터리 산업에 크게 기여한 굿이너프 교수와 혁신적인 차세대 리튬 메탈 배터리를 함께 개발하는 것은 회사뿐만 아니라 산업에 큰 도움이 될 것이라고 말했다.

참고자료

• "Carl Gassner", wikipedia
• 〈존 구디너프〉, 《네이버 지식백과》
• 고재원, 〈노벨상위원회 "화학상 수상자들, 전에 없던 신개념 배터리 만든 게 업적"〉, 《동아사이언스》, 2019-10-09
• 저글링, 〈존 B. 구디너프(2019, 노벨 화학 상)〉, 《네이버 블로그》, 2020-04-13
• 김영신, 〈SK이노베이션, 노벨상 굿이너프 교수와 차세대 배터리 개발〉, 《연합뉴스》, 2020-07-30

같이 보기

• 리튬 이온 배터리
• 리튬 메탈 배터리
• 스탠리 휘팅엄
• 요시노 아키라
• SK이노베이션

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