[한국기술뉴스]

DGIST 에너지공학전공 이용민 교수 연구팀은 전극 설계 안을 반영할 수 있는 공기전극의 디지털 트윈 방법을 개발했다. DGIST 산학협력단을 통해 2019년 11월 25일 특허를 출원(출원번호 제1020190152389호)했다. 특허 명칭은 '3차원 전극 구조체 모델링 방법’이다. 산학협력단은 특허가 산업에서 활용될 수 있도록 기술이전을 추진할 계획이다.

[기자]

디지털 트윈은 현실 속 사물을 컴퓨터 안에 그대로 구현하여 현실에서 발생할 수 있는 상황을 분석하거나 예측하는 기술입니다. 따라서 실험적으로 확인하기 어려운 가혹 조건이나 위험 상황에서 효과적으로 활용할 수 있는 기술로 풍력단지 배치, 대형선박 설계, 자동차 디자인 최적화 등의 킬로미터에서 미터 수준의 거시적 분야까지 자주 사용되고 있습니다. 본 기술은 디지털 트윈 기술을 마이크로미터 수준으로 낮춰 미세 다공성 복합 전극뿐 아니라 전해질 그리고 집 전체 등의 모든 소재와 부품을 있는 그대로 그려내어 실제 전지와 동일한 가상의 전지를 만들 수 있습니다. 즉 디지털 트윈 기술로 만들어진 가상의 전지는 실제 전지와 내부 구조 그리고 전기화학적 거동까지 유사한 특성을 구현하게 되어 실험적 한계를 극복하는 게임 체인징 기술로 평가됩니다.

마이크로 디지털 트윈 기술의 핵심으로는 첫째는 가상의 3차원 구조체를 어떻게 정밀하게 만들 것이냐이며 둘째는 그 3차원 구조체에 물리적 그리고 전기화학 특성의 부여 여부입니다.

본 기술은 3차원 구조체의 정밀도를 높이기 위해 실제 전극을 정밀 분석하여 구조체를 만드는 기술 그리고 탑-다운 방식과 비어있는 가상의 공간에 구조체를 형성하는 기술, 바틈업(Bottom-up) 방식을 조합하여 세계 최고 수준의 구조체 형성 기술을 제안하고 있습니다. 즉 실제 전극의 내부구조를 비파괴 또는 파괴 단층 촬영하여 확보한 수백 장 이상의 이미지를 합성해 만들어진 구조체의 정확도와 전극의 설계 정보만으로 구조체를 빠르게 만들어내고 효율성을 조합하는 독보적인 기술을 제안합니다. 또한 3차원 전극 및 전지 구조체와 실제 전지가 동일하게 충·방전될 때 전압과 전류가 모사될 수 있도록 모델링 기술이 접목되어야 진정한 디지털 트윈 전지기술이 완성됩니다. 즉 디지스트 이용민 교수 연구실이 개발한 본 기술은 디지털 트윈 전극 및 전지 구조체의 정밀도를 높이고 전기화학적 해석이 가능하도록 만들어 실험적으로 해석이 어려운 내부 현상을 예측하고 전극 조성이나 설계의 최적화 작업을 가상의 공간에서 빠르게 진행할 수 있게 만들어 줍니다.

따라서 본 기술은 기존 리튬이온전지뿐 아니라 전극 내부 구조 설계가 더욱 중요한 전고체 전지나 고 에너지밀도의 리튬금속 이차전지 등 다양한 차세대 이차전지 개발에 폭넓게 사용될 수 있습니다.

특히 잠재적 결함에 의한 전지 화재 사고를 예측하고 예방 기술을 개발하는 데 활용이 가능해 응용 및 확장성이 매우 클 것으로 기대됩니다.