포스코홀딩스 미래기술연구원은 차세대 이차전지의 핵심 소재로 주목받는 LMR(리튬망간리치, Lithium-Manganese-Rich) 양극재의 성능 저하 원인과 반응 메커니즘을 데이터 기반으로 규명하는 데 성공했다. 이번 연구는 2025년 5월 7일자, 에너지·환경 분야의 세계적인 권위지인 Energy & Environmental Science 18호에 게재되었다.

LMR 양극재는 고가의 코발트와 니켈을 줄이고, 저렴하고 풍부한 망간을 활용해 가격 경쟁력을 높인 차세대 배터리 소재로, 기존 LFP(리튬인산철) 배터리보다 33% 더 높은 에너지 밀도를 자랑한다. 이로 인해 전기차의 주행거리가 늘어날 뿐만 아니라, 사용 후 리사이클링 가치도 뛰어나 엔트리 및 스탠다드 전기차 시장에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. GM, 포드 등 글로벌 완성차 업체들이 LMR 배터리 적용을 공식화하며 시장 확장은 빠르게 진행되고 있다.

하지만 LMR 배터리는 충전 및 방전 과정에서 전압이 떨어지며 성능 저하가 발생해 상용화에 어려움이 있었다. 이에 미래기술연구원 연구진은 3만 건 이상의 배터리 충전 데이터를 AI를 활용하여 분석하고, 다양한 실험적 데이터를 결합해 LMR 소재의 열화 원인과 반응 메커니즘을 규명했다. 특히 차원 축소 기법을 통해 배터리 성능에 영향을 미치는 핵심 요인을 파악하고, 이를 망간의 변화나 전기 흐름 저항 증가와 같은 실제 현상과 연결 지어 설명하였다.

이 연구에서 개발한 데이터 기반 모델은 LMR 배터리의 성능을 미리 예측하고 이상 징후를 조기에 감지할 수 있는 중요한 도구로, 향후 전기차 배터리의 신뢰성과 안전성을 크게 향상시킬 것으로 예상된다.

포스코홀딩스는 이번 연구 성과를 바탕으로, 4월 한국금속·재료학회와 AI4AM 국제학술대회에서 배터리 소재 설계 및 성능 향상을 위한 머신러닝 활용 연구와 미세구조 기반 소재 최적화 연구를 발표했다. 10월에는 한국화학공학회에서 AI 기반 배터리 소재 연구를 발표할 예정이며, arXiv에 게재된 최신 연구 성과도 곧 공개될 예정이다.

남상철 미래기술연구원 LIB소재연구센터장은 “AI와 실험 데이터를 융합한 연구를 지속적으로 확장하여 고성능·고신뢰성 이차전지 소재 개발을 이어갈 계획”이라며, “LMR 양극재뿐만 아니라 다양한 이차전지 소재에 대한 데이터 기반 분석을 강화하여 글로벌 배터리 시장에서 경쟁력을 높이겠다”고 강조했다.

홍정진 연구소장은 인터뷰에서 “포스코홀딩스는 포스코퓨처엠을 비롯한 다양한 그룹사와의 협력은 물론, 외부 기업들과의 파트너십을 통해 차세대 배터리 소재와 에너지 소재 전반에 걸친 기술 혁신을 지속적으로 추구하고 있다”고 밝혔다. 그는 “에너지 소재와 AI 융합 연구를 통해 배터리 기술을 비롯한 다양한 에너지 분야의 발전을 선도하고 있으며, 이러한 연구 성과를 산업계와 학계에 적극적으로 공유하고 있다”고 덧붙였다. 또한 “앞으로도 글로벌 배터리 시장에서의 경쟁력을 강화하기 위해 다양한 분야의 협력과 연구를 확대해 나갈 계획”이라고 강조했다.

▲포스코 미래기술연구원이 개발한 AI 기반 LMR 양극재 열화 메커니즘 분석 및 예측 모델 개념도.

▲연구를 주도한 포스코홀딩스 박인철 박사, 김지은 박사, RIST 최인준 연구원

포스코홀딩스 미래기술연구원이 12월 16일 국내 수소경제 성장을 앞당길 혁신기술로 평가받는 20kW급 고체산화물수전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell) 시스템의 핵심부품인 스택(Stack)* 모듈을 국산화하는데 성공했다. 포스코홀딩스는 지난 2021년 5월 산업통상자원부 주관 ‘대면적 고효율 고체산화물 SOEC 평판형 셀과 20kW급 스택 모듈 시스템 개발’ 국책과제에 참여해 이번 연구에 들어갔다.

*스택(Stack) : 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 생산하는 장치로, 수백개의 셀(Cell)을 직렬로 쌓아올린 전지 본체.

고체산화물수전해전지(SOEC) 기술은 고온의 스팀에서 전기를 활용해 수소를 추출하는 기술로, 전기에너지와 열에너지를 함께 사용해 기존에 전기에너지만 활용하는 다른 수전해 방식과 비교해 전해 효율이 높다. 또한, 고체 전해질을 사용해 부식에 대한 내구성이 뛰어나 유지보수가 용이한 장점이 있어 수전해 분야 게임 체인저(Game-changer) 기술로 평가받는다. 다만 기술 개발의 난이도가 높아 그동안 유럽의 셀-스택-시스템 기술을 도입해 국내 일부 기관에서 실증하는데 머물렀으나, 이번 국산화 성공으로 청정수소를 국내 기술로 더 경제적이고 친환경적으로 생산할 수 있게 됐다.

▲수소경제를 앞당길 혁신기술로 평가받는 20kW급 SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell) 시스템의 핵심부품인 스택 모듈을 국산화하는데 성공한 포스코홀딩스 미래기술연구원 청정수소연구센터 수전해 연구팀.

포스코홀딩스는 지난 2017년 자체 개발한 높은 전류 조건에서 구동 가능한 높은 내구성의 셀을 활용하고, 이 셀을 효율적으로 쌓아올리는 스택(5kW) 제작기술을 개발했다. 또한, 인공지능 기반의 전산해석 모델을 적용하고 국내 연구기관과 협업해 고효율, 고안정성의 시스템을 설계∙제작하는데 성공해 SOEC 기술 국산화를 이뤄냈다. 수전해 시스템 효율은 83.3%로 글로벌 톱티어 수준을 달성했다.

미래기술연구원 청정수소연구센터 수전해 연구팀은 이번 연구를 성공시켜 제철소에서 발생하는 폐열·스팀을 활용한 SOEC기술과 원전의 저가 전기·열을 사용하는 SOEC기술을 개발해 대량의 수소를 경제적으로 생산할 수 있는 기반을 만들었다. 수전해 연구팀은 앞으로는 물과 이산화탄소를 동시에 분해하는 고온 공전해(Co-electrolysis) 기술 개발에도 힘써 수소 뿐 아니라 일산화탄소(CO)를 추가로 추출하는 등 탄소중립 연료 생산에도 활용할 계획이다.

▲고온수전해 셀-스택-핫박스-시스템 개념도.

이번 연구의 책임자인 안진수 수석연구원은 “완성된 시스템을 바탕으로 앞으로 넘어야 할 Scale-Up 혁신기술에도 박차를 가해 세계 최고 경쟁력을 갖는 경제적 고온수전해 시스템 구축이 필요하며, 셀-스택-모듈-시스템의 각 기술별 원가 절감을 통해 2027년까지 국내 최초로 메가와트(MW)급 고온 수전해 시스템 양산설계 기술개발을 완성할 계획이다”고 포부를 밝혔다.

포스코홀딩스 미래기술연구원 수소저탄소연구소가 8월 13일 포항 체인지업그라운드에서 산업통상자원부 주관 ‘폐갱도 활용 이산화탄소 육상저장 시범사업’ 과제 착수회의를 개최했다.

이번 착수회의에는 사업수행기관 및 관계자 등 총 30여명이 참석하여 과제 수행 계획을 논의하고 질의응답의 시간을 가졌다.

포스코그룹 수소생산과 저탄소 CCUS 연구개발을 수행하고 있는 포스코홀딩스 수소저탄소연구소는 최근 산업통상자원부의 ‘폐갱도를 활용한 이산화탄소 육상저장 시범사업’ 국책과제에 탄산화 기술의 우수성을 높게 평가받아 주관 기관으로 선정되었다.

이번 시범사업은 국가온실가스감축목표(NDC) 중 CCUS에 할당된 이산화탄소 감축 목표량 1,120만톤 달성 기여를 위해 국내 최초로 폐갱도를 활용한 이산화탄소 육상저장을 목표로 한다. 탄소저장소로서 폐갱도의 환경성 평가를 비롯해 공정 부산물 활용 광물탄산염화 실증 등의 사업성 평가를 수행하며, 과제 기간은 2024년 6월부터 2027년 12월까지 3년 6개월로, 사업비 67억 6천만원은 정부에서 지원한다.

주요 사업 내용은 일 3톤급 이산화탄소 탄산화 파일럿 설비 실증, 300톤 탄산화 슬래그 이산화탄소 육상저장을 통한 저비용 탄소저장소 확보, 이에 따른 CCUS 연계 산업 기반 조성이다. 이번 사업이 성공적으로 진행될 경우 국내 폐갱도를 활용한 이산화탄소 육상저장을 통해 NDC 달성에 기여하는 것은 물론, 향후 포스코그룹의 블루수소를 활용한 철강 생산도 가능할 것으로 기대하고 있다.

이번 시범사업에는 포스코홀딩스, 카본코, 테크로스환경서비스, 한국광해광업공단이 공동 참여하며, 수소저탄소연구소는 슬래그 탄산화 및 폐갱도 되메움 실증을 총괄할 예정이다.

과제 책임을 맡은 포스코홀딩스 김용헌 연구위원은 “이번 사업으로 국내 CCS사업의 한계로 지적받고 있는 저장소 부족문제를 일부 해소하는 브릿지 기술로 완성할 계획”이라며 “이를 통해 NDC 목표달성에 기여하고 폐갱도 되메움 본사업 기반을 조성하여 국가 이산화탄소 육상저장모델을 구축할 수 있을 것”이라 말했다.

포스코홀딩스 수소저탄소연구소는 실증 및 시범사업을 기반으로 폐광산 지역에 본 탄산화 기술을 범용 적용할 수 있도록 개선할 계획이다.

▲8월 13일 포항 체인지업그라운드에서 개최된 ‘폐갱도 활용 이산화탄소 육상저장 시범사업’ 과제 착수회의에서 관계자들이 기념 촬영을 하고 있다.

직장인이 하루 중 가장 긴 시간을 보내는 장소 중 하나인 회사! 그만큼 직장인에게 회사는 매우 중요한 장소이다. 편하게 쉴 수 있는 휴게공간 그리고 업무효율을 높여줄 수 있는 다양한 사무기기들. ‘회사도 이제 장비발’이라는 말, 현대 직장인들이라면 모두 공감할 것이다. 그런데 서울, 그것도 강남에! 장비발은 물론, 쾌적한 업무환경을 100% 제공하는 사무실이 나타났다. 바로 포스코센터 서관 18층에 개설된 포스코 미래기술연구원이다.

미래기술연구원은 기존 철강 중심의 포스코 기술연구원과는 달리 AI(인공지능), 이차전지소재, 수소 및 저탄소에너지 분야 등 총 3개 연구소 체제를 기반으로 그룹 핵심 사업의 종합 연구를 진행한다.

이름부터 범상치 않은 미래기술연구원! 그럼 본격적으로 포스코 미래기술연구원를 함께 둘러보자.

여기가 연구소인가요, 쇼룸인가요?

포스코센터 18층에 위치한 미래기술연구원! 18층에 올라오니 메탈패널과 원목 루버로 디자인 된 엘리베이터 홀이 눈에 띈다. ‘한국에선 잘 사용하지 않는 색상이라고 하던데 참 대담하다.’ 라는 생각이 들던 찰나, 연구원으로 들어서니 우와~ 라는 소리와 함께 눈이 휘둥그레졌다. 마치 영화 속에서만 보던 사무실이 바로 눈앞에 펼쳐졌기 때문이다.

미래기술연구원엔 자연의 색이 가득하다. 숲을 떠올리게 하는 녹화공간은 벽면과 천장이 자연적인 디자인으로 이루어져 있다. 흰색과 청록색이 시각적으로, 심리적으로도 편안함을 준다.

그 밖에도 다양한 디자인의 가구들이 눈길을 끌었다. 보통 연구소를 떠올려보면 딱딱하고 차가운 느낌을 받기 쉬운데 따뜻한 느낌을 주는 원목 마루와 싱그러움을 자아내는 다양한 식물들이 조화롭게 배치되어 있어 쇼룸을 연상시켰다. 또한 연구원에는 공기정화를 위한 식물들이 여기저기서 산소를 내뿜고 있었는데 서울 한복판 빌딩 숲에서는 좀처럼 느껴볼 수 없었던 자연의 쾌적함이었다.

이렇게 쾌적하고 세련된 공간에서는 누가, 어떤 일을 하는 걸까?

미래기술연구원, 누가 일하나요?

Q. 안녕하세요, 자기소개 부탁드립니다.
안녕하세요. 저는 포스코 미래기술연구원에서 근무 중인 이창환이라고 합니다.

▲ 포스코 미래기술연구원의 이창환 책임연구원

Q. 현재 어떤 연구를 진행하고 계신가요?
저는 현재 인공지능, 특히 비전(Vision) 관련된 일을 하고 있습니다.

최근 관심이 생긴 것은 Physics-informed Neural Network(PINN)이라고 하는 기술입니다. PINN은 편미분방정식의 해를 구하기 위해 뉴럴네트워크를 사용하는 접근법입니다.

기존의 편미분 방정식을 푸는 방법으로 수치적인 방법을 많이 사용하는데, 계산량이 매우 많고 복잡한 형상에는 적용하기 어려운 단점이 있습니다. PINN은 mesh-free방법인 데다, 최초 학습 후에 아주 빠른시간에 해를 구할 수 있기 때문에 최근 많은 관심을 받고 있습니다. 철강 및 신사업분야 시뮬레이션 트윈에 다양한 적용이 가능할 것으로 생각됩니다.

Q. 미래기술연구원에 직접 방문해보니 듣던 것보다 더 좋은 것 같아요! 근무해보시니 어떠세요?
네, 정말 좋아요! 시설들도 보시는 것처럼 쾌적하고 좋지만, 개인 장비인 컴퓨터가 정말 마음에 드는 것 중 하나입니다. 그리고 커피머신도 자주 애용하고 있습니다(웃음).

미래기술연구원, 랜선투어를 시작합니다.

실제로 근무 중인 이창환 연구원의 이야기를 듣고 나니 더욱 궁금해진 미래기술연구원! 그래서 이창환 책임연구원과 함께 미래기술연구원 투어를 시작하기로 했다.

▲ 포스코 미래기술연구원의 설계도

투어는 서관 18층 엘레베이터에 내리면 보이는 POSCO N.EX.T Hub 현판에서 시작한다. 현판을 지나 연구원에 들어서면 가장 먼저 눈에 띄는 중앙의 라운지. 바로 포스코 서클라운지다. 연구원에 들어 올 때부터 시선을 끄는 대형 스크린과 세련된 가구들이 배치된 이곳은 어떤 곳일까?

이창환 책임연구원은 “바로 이곳이 제가 여러가지 업무로 많은 시간을 보내는 곳입니다. 세미나는 물론, 팀원들과의 커피타임도 이곳에서 하거든요”라고 말하며 실제로 그룹원들과 많은 시간을 할애하는 공간이라고 소개했다.

물결 모양의 메탈 패브릭 천장이 눈에 띄는 서클 라운지에서는 대형 LED로 다양한 영상이 재생되고 있었는데 물멍, 불멍이 대세인 것처럼 재생되는 영상을 보고 있자니 마음이 편안해지는 느낌이 들었다. 특히 고래가 등장해 눈길을 끈 영상은 “고래의 꿈”이라는 주제로 특별히 미래기술연구원을 위해 제작되었다고 한다.

라운지에 앉아 주변을 살펴보니 사무실 곳곳에는 조화가 아닌 실제 식물들과 함께 졸졸졸~ 하는소리가 들려왔다. 이는 일부러 수반에서 흐르는 물소리로 백색소음을 생성한 것으로 근무 중인 연구원들의 스트레스 완화는 물론, 뇌 기능을 활성화하는 효과를 위해 설치하였다고 한다.

그리고 눈에 가장 띈 것은 연구원 곳곳에 쉴 수 있는 공간들이었는데, 이 공간들은 휴식은 물론 업무도 진행할 수 있는 자유로운 공간으로 사용되고 있다.

또한 연구원 곳곳에는 다양한 디자인의 의자와 테이블이 놓여져 있었는데, 이 때문인지 사무공간 특유의 딱딱한 느낌보다는 마치 애프터눈티를 즐기기 좋은 호텔 라운지의 느낌을 받기도 했다. 특히, 창 밖을 내다보면서 혼자서 일할 수 있는 공간도 있었는데 이는 연구원들에게 다양한 쉼을 제공하는 동시에 업무에 집중할 수 있는 환경을 제공하기에 충분했다.

▲ 미래기술연구원에는 사내직원 누구나 사용 가능한 개인 사무공간이 마련되어 있다.

이어서 안내를 받은 곳은 라운지 바로 옆에 위치한 컨퍼런스룸이다. 외관상으로는 평범한 컨퍼런스룸이라고 생각 될 수 있었으나 또 하나의 반전이 숨어있었다. 바로 리모컨 하나로 반투명과 투명을 넘나들 수 있다는 점! 리모컨 하나면 회의실 유리의 원하는 곳을 투명, 반투명으로 변경할 수 있어 오픈 공간처럼 답답함을 없애고 공간감은 물론, 인테리어 효과까지 톡톡히 볼 수 있는 장점이 있다.

▲ 컨퍼런스룸의 전경이다.

이 외에도 회의 집중도 향상을 위해 곡면형 스마트 글라스를 설치하였고 사내와 외부 협업에 용이한 첨단 화상회의 시스템도 설치되어 있는데, 이러한 기능들은 해당 컨퍼런스룸뿐만 아니라 연구원장실과 스타급 연구원실에도 모두 동일하게 탑재 되어 있다고 한다.

▲ 스타급 연구원실은 필요 시 회의실로 전환이 가능하다.

컨퍼런스룸과 스타급 연구원실을 지나니 보이는 사무실 전경을 찬찬히 살펴보다 눈에 띈 것이 있다. 바로 스타일러다. 사무실에 설치 된 스타일러를 보고 감탄하는 모습을 본 이창환 연구원은 “아무래도 연구소가 워낙 깨끗해서 신경이 쓰일 때가 있는데, 식사 후에 음식 냄새가 배인 옷을 스타일러에 보관하면 되니까 동료들 눈치를 보지 않아도 돼서 좋아요.” 라고 말했다.

▲ 연구원 사무실 전경 및 연구원 벽면에 탑재 된 스타일러

스타일러 외에도 오염된 공기를 흡입하여 살균하는 바이러스 케어 시스템도 설치되어 있다고 하니, 연구원들에게 일하기 편하고 쾌적한 환경을 만들어주려는 포스코의 노력이 새삼 느껴졌다.

공용시설이 이렇게 좋은 공간에서 과연 연구원들의 개인 자리는 어떨까?

사무실에서 근무 중인 회사원들이라면 100% 공감할 텐데 너무 높거나 낮은 가구들은 거북목과 디스크 등을 발생시키는 원인이 되기도 한다. 하지만 미래기술연구원에서는 그런 걱정은 하지 않아도 될 것 같다. 바로 모션 데스크가 사무실 전 좌석에 설치되어 있기 때문이다.

원하는 만큼 높낮이 조절이 가능한 모션 데스크는 연구원들의 편의를 위해 모든 자리에 적용되어 있다. 이 뿐만 아니라, AI 연구 부서인 만큼 최고 사양을 자랑하는 컴퓨터까지 배치되어 있다. 이창환 연구원에 의하면 실제로 연구원들의 만족도가 가장 높은 점 중 하나가 바로 고사양의 컴퓨터와 편리한 모션 데스크라고 한다. 포스코는 이렇듯 연구원들이 연구와 창작에 몰두 할 수 있는 환경을 적극적으로 지원하고 있다.

사무실을 지나 복도를 걷다 보면 마치 다른 공간에 온 것만 같은 공간을 만날 수 있다. 사색의 공간이라고 불리는 이곳에 들어서니 세모, 네모 네온이 눈에 띄었다. 설마… 라고 생각하던 눈빛을 읽은 걸까? 이창환 연구원은 “네, 맞아요. 오징어 게임입니다. 얼마 전까지는 대나무 숲이었는데 바뀌었네요.”라고 말하며 이곳은 연구 활동에 지친 연구원들이 편하게 생각을 정리하는 ‘사색의 숲’이라는 설명을 덧붙였다.

실제로 도움이 되냐는 질문에는 “저는 일을 하다 잠깐 휴식이 필요하면 이곳에 와서 멍하니 바라보고 있거나 통화를 해요. 여기는 사무실이란 생각이 들지 않고 편안하더라고요”라고 답했다. 좀 더 가까이서 살펴보니 놀랍게도 유리벽 너머는 실제 공간이 아닌, 인피니티 미러*를 활용하여 끝없이 이어지는 공간을 구현해 낸 것이었다. 역시 괜히 미래기술연구원이 아니구나!
*인피니티 미러: 2개의 거울을 활용하여 무한대의 깊이를 표현하는 제품

사색의 공간을 지나 마지막으로 “제가 가장 좋아하는 곳입니다”라는 이창환 연구원의 안내를 받아 이동하였다. 바로 안마 의자를 할 수 있는 휴게룸이다.

연구가 마음대로 되지 않거나, 휴식이 필요할 때 찾는다는 이곳은 이창환 책임연구원의 최애 공간이다. 역시 현대인의 필수품은 안마의자라는 생각은 직장인 누구나 공통된 생각인가?

휴게룸 안내를 끝으로 미래기술연구원의 투어는 끝이 났다. 미래기술연구원 투어를 시켜 준 이창환 연구원은 “이렇게 좋은 환경에서 빨리 다양한 도메인에서 많은 연구자들이 함께 재밌게 연구할 수 있었으면 좋겠다”는 말을 전했다.

저탄소, 지속가능한 기업 시대로 전환 되는 시대에 맞춰 포스코그룹의 미래 사업의 연구개발을 주도할 미래기술연구원! 세련되고 쾌적한 공간으로 꾸며진 미래기술연구원은 기술 혁신을 이끌 우수 인력들에 대한 지원을 아끼지 않겠다라는 포스코의 노력을 곳곳에서 느낄 수 있었다.

앞으로 혁신적인 연구성과를 바탕으로 포스코그룹을 넘어 대한민국을 이끄는 대표 기관이 될 포스코 미래기술연구원! 앞으로의 도약을 기대해 본다.