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화학연, 세계 최고 성능의 수전해용 음이온교환막 소재 개발

​- 수전해 분야 유망 기술인 음이온교환막(AEM) 방식 소재의 한계점인 내구성 10배 개선- 음이온교환막 수전해 분야를 선도 중인 선진국에 이어 국내 기업의 시장 진입 기여 가능- 재생에너지·환경 분야 국제학술지 Energy & Environmental Science 2024년 4월 말 논문 게재 물 전기분해를 통해 친환경 그린수소를 생산하는 수전해 기술은 한국형 탄소중립 100대 기술 중 하나인 핵심기술이다. 여러 수전해 방식 중 음이온교환막 수전해*(AEMWE; Anion Exchange Membrane Water Electrolysis) 방식은 고순도 수소를 경제적으로 생산할 수 있는 차세대 유망 기술로 떠오르고 있다. 이런 가운데, 국내 연구진이 이 기술의 핵심 소재이자 세계 최고 수준의 성능 및 내구성을 갖는 음이온교환막 소재를 개발하였다. * 음이온교환막 수전해: 수산화 이온(OH-)을 전달할 수 있는 고분자 막을 이용해 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 기술 [그림 1] 본 연구의 개념도(HQPC-TMA 음이온교환막 및 이오노머 개발)한국화학연구원 연구진은 음이온교환막 수전해 셀의 핵심 소재로 전해질막과 이오노머(전극 바인더)로 활용할 수 있는 우수한 성능 및 화학적 안정성을 갖는 음이온교환소재(HQPC-TMA)를 개발했다.- 논문명(영): High-performance and durable anion-exchange membrane water electrolysers with high-molecular-weight polycarbazole-based anion-conducting polymer- 논문명(국): 고분자량 폴리카바졸계 음이온교환소재가 도입된 우수한 성능 및 내구성의 음이온교환막 수전해 한국화학연구원(원장 이영국) 이장용·김성준 박사 연구팀은 최근 연구 논문에서 음이온교환막 수전해 장치에 적용 시, 해외 상용 소재 대비 성능 및 내구성이 월등히 향상된 고분자량화 폴리카바졸계 음이온교환 소재 기술을 선보였다. 이 기술은 급격히 커지고 있는 음이온교환막 시장에서 우수 소재에 대한 높은 수요를 충족시킬 뿐 아니라, 국내 산업계의 빠른 상용화와 시장 선점에 기여할 것으로 전망된다. 그린수소 생산 기술 중 음이온교환막 수전해 방식은 기존 기술의 단점을 보완하고 장점을 함께 갖춘 차세대 기술로 주목받고 있다. 이에 따라 핵심 소재인 음이온교환막 관련 시장은 2021년에서 2029년 기간 동안 연평균 성장률(CAGR) 5.2%로 성장하여 2029년에는 시장 규모가 약 10억 1천 7백만 달러에 이를 것으로 예측되고 있다.** 출처: ADROIT MARKET RESEARCH(2022.7), 음이온교환막 시장 보고서www.adroitmarketresearch.com/industry-reports/anion-exchange-membrane-market [그림 2] 개발 소재 활용 수전해 시스템 모식도담수 및 해수를 전기 분해하여 그린수소를 생산하는 음이온교환막 수전해 시스템과 연구진이 개발한 음이온교환소재를 함께 표현한 모식도. 재생에너지를 통한 수전해 기술로 친환경 그린수소를 생산하는 것을 도식화하였다.   [그림 3] 수전해 기술 방식별 장단점 기존 알칼라인 수전해 기술은 설비 가격이 낮고 기술적 성숙도가 높아 현재 가장 많이 쓰이고 있으나, 낮은 효율과 함께 저순도 수소를 생산한다는 단점이 있다. 한편, 양이온교환막 수전해 기술은 성능이 우수하고 고순도 수소 생산이 가능하나, 귀금속 촉매를 활용하는 등 핵심 소재가 매우 비싸서 전체 설비 가격이 높다는 단점이 있다. 이에 반해 음이온교환막 수전해 기술은 저렴한 촉매 소재를 활용하면서도 높은 효율로 고순도 수소 생산이 가능하여 기존 기술의 장점을 모두 갖춘 차세대 수전해 기술이다. 그러나 전해질막 및 이오노머(전극 바인더)로 활용되는 음이온교환 소재의 낮은 성능 및 내구성이 상용화에 걸림돌이었다. 최근에는 미국, 캐나다, 독일 등 기술 선진국을 중심으로 우수한 음이온교환소재가 개발되어 상용화되고 있다. 국내 기업에서도 상용화에 힘쓰고 있으나, 핵심 부품인 교환막과 전극을 만드는 소재 대부분을 해외에서 수입하고 있어 국산화가 절실하다. [그림 3] 개발 소재(HQPC-TMA)로 만든 수전해 셀의 성능 및 내구성 평가 결과연구팀이 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA)를 음이온교환막과 이오노머로 도입한 수전해 셀은 해외 상용 소재(PiperION) 기반의 수전해 셀과 비교하여 동일 조건에서 약 80% 향상된 우수한 성능을 나타내었다. 또한, 개발 소재 기반의 음이온교환막과 고내구성 비귀금속 전극을 결합한 수전해 셀의 경우 1,000시간 동안의 내구성 평가 후에도 거의 성능의 변화가 없었으며, 열화속도는 6μV/h로서 동일 조건에서 기존 보고된 가장 낮은 결과와 비교하여 약 1/10의 매우 낮은 열화속도를 보였다.  이에 연구진은 튼튼하고 분자구조 조절이 용이한 폴리카바졸(PC, Polycarbazole)*계 소재를 설계, 분자량을 높이는 기술을 적용하여 수소 생산 성능과 내구성을 높인 이온교환소재(HQPC-TMA)를 개발했다. 이 소재로 만든 음이온교환막 및 셀은 기존 상용화된 소재보다 10배 우수한 내구성과 20% 이상 높은 이온 전도 성능(이온전도도) 등 세계 최고의 성능을 나타냈다.* 폴리카바졸(PC, Polycarbazole): 독특한 전기발광 특성 및 화학적 안정성으로 주로 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 태양전지 등 유기 전자 소자뿐 아니라, 이온교환소재 등에도 활용됨   [그림 4] 개발 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 음이온교환막이장용 박사 연구팀에서 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 이를 이용해 제조한 고품위 전해질막 이장용 박사팀은 2020년에 이미 우수한 음이온 전도 성능 및 화학적 안정성을 갖는 폴리카바졸 기반의 음이온교환소재(QPC-TMA)를 개발한 바 있다. 이번에 개발한 소재(HQPC-TMA)는 이전 소재에 사슬 연장기(chain extender)를 도입하여 분자량을 더욱 증대시키고, 정제 과정을 추가해 저분자량 물질은 효과적으로 제거함으로써, 성능과 내구성 모두 개선시킨 소재이다. 실험 결과, 개발 소재(HQPC-TMA)는 80℃의 고농도 알칼리 용액(3M KOH 수용액)에서 2,500시간 경과 후에도 이온전도도가 거의 100% 유지될 정도로 매우 높은 화학적 안정성을 보였다. 이는 상대적으로 온화한 일반 평가 조건(80℃, 1M KOH 수용액에서 1,000~3,000시간 평가)에서 초기 음이온전도도 대비 97%~60%의 이온전도도 보존율을 보인 기존 소재들에 비해 우수한 결과이다.또한, 개발 소재(HQPC-TMA)를 음이온교환막으로 활용, 비귀금속 전극과 결합한 수전해 셀을 제작하여 1,000시간 동안 가속 평가(60℃, 1.0A/㎠)하였을 때에도 동일 조건에서 기존에 보고된 가장 낮은 수전해 셀 열화 속도 대비 약 10배 느린 성능 감소 수치를 보여 개발 소재의 내구성이 매우 우수함을 다시 확인했다.이번 개발 소재(HQPC-TMA)를 활용한 수전해 셀은 기존 해외 우수 소재보다 월등한 수소 생산 성능을 보였다. 특히 동일 조건에서 현재까지 보고된 성능 중 가장 우수한 14.6A/㎠의 성능을 보여, 동일 에너지에서 수소를 더 생산할 수 있는 높은 효율성을 보여줬다.* 2V 전압에서 전류 밀도: (기존 소재) 8A/㎠∼12A/㎠, (개발 소재) 14.6A/㎠ [그림 5] 개발 소재 및 수전해 셀이장용 박사 연구팀에서 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 이를 이용해 제조한 수전해 핵심 소재 (하단 우측부터 음이온교환막, 전극, 막전극접합체) 및 셀 [그림 6] 음이온교환막 수전해 평가 장치 및 수전해 셀실험에 사용한 전기화학 평가 장치, 수전해 셀의 양극으로 담수 및 해수 전해액이 공급되며 전기에너지를 주어 수소를 생산한다. 수전해 셀의 앞쪽에 놓인 물품들은 개발된 음이온교환소재(HQPC-TMA)를 활용하여 제작된 수전해 셀의 핵심 소재(전극 및 전해질막) HQPC-TMA로 만든 수전해 셀은 알칼리수가 아닌 중성수를 적용한 경우에도 상용 소재 대비 2배 이상의 성능을 보였고, 알칼리 해수를 활용한 경우에도 세계 최고 수준의 매우 우수한 셀 성능을 보였다. 현재 상용 소재의 경우 일반적으로 쓰이는 알칼리수 외에는 매우 낮은 성능을 보이는데, 앞으로 연구가 필요한 민물이나 바닷물을 활용한 수전해 구동에 실마리가 될 것으로 보인다. 연구팀은 현재 후속 연구로서 규모를 키우는 대용량 합성 연구와 대면적 강화막 제조 연구를 준비하고 있다. 해당 기술은 전기화학적 CO₂ 전환 장치 또는 연료전지에도 활용될 수 있어 다양한 분야에서 상용화가 기대된다.  [그림 7] HQPC-TMA 소재 개발 연구팀음이온교환소재(HQPC-TMA)를 개발한 한국화학연구원 이장용 박사(좌측) 연구진. 좌측부터 이장용 박사, 김성준 박사, 양석환 박사과정  [그림 8] 연구자 사진왼쪽부터 한국화학연구원 이장용 박사, 김성준 박사, 양석환 박사과정 화학연 이영국 원장은 “음이온교환막 수전해 기술이 상용화까지 이어져 핵심 소재 국산화 및 수소 경제 달성에 이바지하고, 우리나라 기업의 글로벌 시장 진입을 통해 신규 일자리 창출에도 기여할 것으로 생각한다”라고 말했다. 이번 연구 결과는 에너지 과학기술 분야 국제학술지 ‘에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy&Environmental Science(IF : 32.5))’에 2024년 4월 30일 자로 온라인 공개되었다. 한편 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 ‘유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업’, 산업통상자원부 ‘소재부품기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐다.         
편집부 2024-09-04
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GIST, 혁신적 전해질 첨가제 개발… 대면적 아연-브롬 배터리 5천번 충‧방전에도 끄떡없어

- ‘양이온 및 음이온 동시 발현’ 전해질 첨가제로 아연금속 음극의 불안정성 해결해… 5천회 충·방전 후에도 높은 방전 용량(407mAh)과 클롱 효율(92.3%) 유지- 높은 안정성과 에너지 밀도 확보할 수 있어 폭발 위험 없는 고용량 에너지저장장치(ESS) 활용 기대… 재료 과학 및 화학 분야 저명 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 게재    광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 에너지융합대학원 김상륜 교수 연구팀이 세륨과 염소 기반 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 기존의 아연-브롬 배터리의 문제점인 아연금속 음극에서 발생하는 수지상(dendrite)* 성장과 수소 발생 같은 부반응*을 극복하고, 대형 에너지저장시스템에 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.* 수지상(dendrite): 금속 전극 표면에서 나뭇가지처럼 자라나는 결정체로, 배터리의 효율을 떨어뜨리고 단락을 일으켜 성능 저하와 안정성 문제를 유발한다.* 부반응: 여러 가지 반응이 함께 일어날 때 주된 반응 외의 다른 반응    [그림 1] 연구 내용을 요약한 그림: 아연 전극 반응에서 염화세륨(CeCl3)의 효과    아연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 배터리는 높은 안정성과 고밀도 에너지로 에너지저장장치용 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 그러나 이 배터리는 금속 전극을 음극으로 사용하는 다른 배터리와 마찬가지로 음극에서의 수지상 성장과 수소 발생 같은 부반응 때문에 안정적인 구동과 장기간의 안정된 사이클을 유지하는 데 어려움이 있다. 연구팀은 염화세륨(CeCl3)에서 세륨 양이온(Ce3+)과 염소 음이온(Cl-)이 동시에 작용하는 전해질 첨가제를 활용하여 아연금속 음극의 불안정성을 해결했다. 구체적으로 충전 과정 중 세륨 양이온(Ce3+)은 전기장이 강한 아연금속 음극의 돌출부에서 정전기적 보호층을 형성하여 수지상 성장을 억제했다. 동시에 뛰어난 전자 제공 특성을 가진 염소 음이온(Cl-)은 아연 이온의 솔베이션 구조*에 참여하여 물 분해를 억제했다.* 솔베이션 구조: 일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는 것을 의미한다.    [그림 2] 소형 및 대면적 아연-브롬 배터리 배터리에서 전해질 첨가제 유무에 따른 전기화학 성능 비교전해질 첨가제를 양극과 음극이 모두 흑연으로 구성된 소형 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 2,000회 충·방전 후에도 94.9%의 높은 클롱 효율을 유지했다. 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 73.8% 향상된 수치이다. 또한 전해질 첨가제를 대면적 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 5,000회 충·방전 후에도 92.3%의 높은 클롱 효율을 유지했다.    개발된 전해질 첨가제를 양극과 음극이 모두 흑연으로 구성된 소형 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 2,000회 충·방전 후에도 각각 94.9%의 쿨롱 효율*과 70.3%의 에너지 효율을 유지했다. 이는 첨가제가 없는 전해질과 비교하여 각각 73.8%와 52.9% 향상된 수치이다. 또한 전해질 첨가제를 대면적 아연-브롬 배터리에 적용한 결과, 5,000회 충․방전 후에도 높은 방전 용량(407mAh)과 클롱 효율(92.3%)을 유지했다.* 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency; CE): 배터리의 미래 성능을 예측할 때 가장 중요한 단일 지표이다. 쿨롱 효율(CE)이 1.00000인 배터리(이상적인 배터리)는 배터리가 영원히 지속된다는 것을 의미하며, 0.0001 정도의 CE 변경은 1,000회 이상의 주기 수명 차이에 해당할 수 있다.   김상륜 교수는 “이번 연구 성과는 아연-브롬 배터리 전해질 설계의 실용적 가이드라인 제시와 수계 배터리 시스템에서 전극 안정화 전략에 대한 이해를 증진시키는데 도움이 된다”며, “향후 수계 배터리뿐만 아니라 리튬이온 배터리, 전고체 배터리 등 고성능 및 고안정 에너지 저장 기술 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. GIST 에너지융합대학원 김상륜 교수가 지도하고 김정현 석사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부 과학기술원 공동연구사업, 한국에너지기술평가원의 지원받았으며, 재료 과학 및 화학 분야 저명 국제학술지‘Small’에 2024년 5월 7일 온라인 게재됐다.   < 논문의 주요 정보 >- 저널명: Small (IF: 13.3, 2022년 기준)- 논문명: Stable Zinc Electrode Reaction Enabled by Combined Cationic and Anionic Electrolyte Additives for Non-Flow Aqueous Zn─Br2 Batteries- 저자 정보: 김정현(제1저자, GIST), 박형훈(공동저자, GIST), 조영인(공동저자, GIST), 이태경(공동저자, GIST), 김혜림(공동저자, GIST), 박찬호(공동저자, GIST), 김형진(공동저자, GIST), 김상륜(교신저자, GIST)    (왼쪽부터) 김상륜 교수, 김정현 석사과정생    자료문의: 에너지융합대학원 김상륜 교수(062-715-5328)   
편집부 2024-09-04
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KAIST-연세대, 해양 속 82%까지 생분해되는 종이 포장재 개발​

플라스틱으로 인한 자연환경 오염은 반드시 해결해야 할 전 지구적 난제로 꼽힌다. 특히, 패키징 소재(포장재)는 전체 플라스틱 소비의 30~50%를 차지하여 대체재로서의 생분해성 패키징 소재가 주목받고 있다. 가장 척박하다는 생분해 조건인 해양 속에서 미세플라스틱*을 남기지 않으면서도 높은 성능을 갖춘 생분해성 패키징 소재가 있을까?* 미세플라스틱: 5㎜이하의 작은 플라스틱 조각으로, 플라스틱의 분해 과정에서 생성되며 바닷속과 해수면을 수십 년 이상 떠다니며 해양환경 오염을 일으키고 있음.    연구원 소개(왼쪽부터) KAIST 건설및환경공학과 명재욱 교수, 최신형 박사과정, 생명과학과 양한슬 교수, 연세대학교 서종철 교수, 박기태 석박사통합과정    KAIST 건설및환경공학과 명재욱 교수, 생명과학과 양한슬 교수 및 연세대학교 패키징및물류학과 서종철 교수 공동 연구팀이 지속 가능한 해양 생분해성 고성능 종이 코팅제를 개발했다고 밝혔다. 일상에서 흔히 사용되는 종이 포장은 친환경 포장재로 인정받지만, 수분 저항성, 산소 차단성, 강도 등에서 매우 제한적인 면이 있다. 종이 포장재의 낮은 차단성을 향상하기 위해 폴리에틸렌(PE), 에틸렌비닐알코올(EVOH) 등이 코팅제로 활용되지만, 이런 물질들은 분해되지 않아 자연환경에 버려지면 플라스틱 오염을 심화시킨다. 이러한 문제에 대응하여 다수의 바이오 기반 물질, 생분해성 플라스틱*등을 활용한 패키징 소재들이 개발되어왔으나 패키징 성능이 향상될수록 생분해도가 급격하게 떨어지는 딜레마에 직면해왔다.* 생분해성 플라스틱:난분해성 플라스틱의 대체재로, 토양, 해양 등 자연환경 또는 산업 퇴비화, 혐기소화 등 인공 조건에서 미생물에 의해 분해되는 고분자 화합물을 말함.   연세대 연구팀은 생분해성 플라스틱인 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)에 붕산(boric acid)을 이용해 고 물성 필름을 제작하였으며, 이를 종이에 코팅하여 생분해성, 생체 적합성, 고차단성, 고강도를 갖는 패키징 소재를 구현하는 데 성공하였다. 개발된 코팅 종이는 산소나 수증기에 우수한 차단성을 보이며 물리적 강도를 띄었다. 특히 다습한 환경에서도 높은 인장강도를 유지하여 종이의 단점을 획기적으로 극복하였다.    그림 1. (a) 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅 종이의 화학적 구조, (b-c) 산소 및 수증기 차단성 및 비교 그래프, (d-f) 건조 및 고습도 환경에서의 인장강도 및 비교 그래프    KAIST 대학연구팀은 개발한 코팅 종이의 지속가능성을 평가하기 위해 생분해도와 생체 적합성을 심층 검증하였다. 실험실에서 생분해가 일어나기 가장 어려운 환경인 해양환경을 모방하여 코팅지의 생분해도를 측정하였다. 물질의 탄소 성분이 이산화탄소로 광물화(mineralization)되는 정도를 111일 동안 분석한 결과, 코팅 성분에 따라 59~82% 생분해됨을 밝혀내었다. 전자현미경을 통해 해양 미생물이 코팅 소재를 분해하고 있는 현상을 포착하였고, 또한 코팅 소재의 낮은 신경독성을 확인하였고 쥐 생체 반응 실험을 통해 코팅 종이의 높은 생체 적합성을 검증하였다.    그림 2. (a) 일반 종이 및 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지, (b) 코팅 종이의해양 미생물에 의한 생분해, (c) 인간 배아신장세포 및 쥐 배아섬유아세포를 활용한신경독성 실험 결과, (d) 쥐 생체 반응실험 후 주요 조직 관찰을 통한 생체 적합성 검증    건설및환경공학과명재욱 교수는 이번 연구를 통해 “기존 종이 패키징의 한계를 극복하기 위해 지속가능성을 유지하면서도 패키징 성능을 향상시킬 수 있는 코팅 전략을 제시하였으며, 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지는 인위적인 퇴비화 조건이나 하수처리 시설이 아닌 자연환경에서 생분해되며, 저독성 물질이기 때문에 의도치 않게 버려지더라도 환경오염을 심화시키지 않아 잠재적으로 플라스틱 포장재의 지속 가능한 대체재가 될 수 있다”고 밝혔다. 또한 “해양 생분해성 고성능 종이 코팅제의 개발은 각 분야에서 선도적인 세 연구팀의 혁신적인 기술이 결합된 결과물이다”라며, “앞으로도 환경친화적이고 성능이 뛰어난 소재 개발을 위해 노력할 것이다”라고 전했다.    그림 3. 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅 종이의 해양환경에서의 수명종료 시나리오. 코팅 종이는 파도, 조수와 생물학적 작용으로 단위체로 분해되며,탄소 성분은 궁극적으로 해양 미생물에 의해 광물화됨.    한편, 고성능 종이 코팅 개발 연구를 주도한 연세대학교 서종철 교수는 “본 연구를 통해 난분해성 플라스틱 포장의 대체가 가능한 친환경 종이 포장 기술을 개발하였으며, 소재 디자인, 응용, 폐기 등 기초부터 응용 전 과정의 체계적인 연구 결과를 기반으로 산업적 응용이 될 것으로 기대한다ˮ라고 전했다. 이번 연구는 한국연구재단과 농림식품기술기획평가원 등의 지원으로 수행되었으며, 친환경 지속 가능 과학·기술 분야, 식품과학·기술 분야에서 권위 있는 학술지인 Green Chemistry, Food Chemistry 등에 각각 4월 17일, 2월 19일 온라인으로 출판됐다.* 논문명(1): Boric acid-crosslinked poly(vinyl alcohol): biodegradable, biocompatible, robust, and high-barrier paper coating(저자 정보: 최신형(KAIST, 제1저자), 유슬기(KAIST), 박기태(연세대), 김영주(KAIST), 조용준(KAIST), 박제희(KAIST), 서종철(연세대), 양한슬(KAIST), 명재욱(KAIST, 교신저자) 총 9명)   * 논문명(2): Effect of epichlorohydrin treatment on the coating process and performance of high-barrier paper packaging(저자 정보: 박기태(연세대, 제1저자), 최신형(KAIST), Kambiz Sadeghi(연세대), Pradeep Kumar Panda(연세대), 명재욱(KAIST), 김도완(국립강릉원주대학교), 서종철(연세대, 교신저자) 총 7명)    그림 4. 녹색화학(Green Chemistry) 저널 최신 호 백 커버(back cover).해양 생분해성, 생체 적합성, 고차단성, 고강도를 갖는 붕산 가교 폴리비닐알코올 코팅지      
편집부 2024-09-02
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에너지 하베스팅 분야에서의 유연 소자 활용

  Ⅰ. 서론   현대 사회에서 석유, 석탄, 천연가스 등 기존 화석연료의 매장량의 한계와 지속적인 사용으로 인해 환경오염 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 신재생, 친환경 등 대체에너지에 관한 연구가 진행되고 있으며, 그중에서도 에너지 하베스팅의 기술이 주목받고 있다.  에너지 하베스팅은 주변 환경에서 버려지는 에너지를 수확하여 재생산하는 기술로 자연에 존재하는 에너지들인 태양광, 진동, 바람부터 위치에너지, 열에너지뿐만 아니라 전자기파로부터 전기적 에너지를 획득하는 방식이다. 에너지 하베스팅을 통한 기기들은 직접 전력을 획득함으로써 안전성, 보안성, 지속가능성을 가지며 탄소 저감 및 환경공해를 줄일 수 있어 환경친화적인 기술로 대두되고 있다. 전 세계 주요 국가들은 지구 온도 상승을 2% 이내로 억제 및 2050년까지 대기 중 이산화탄소 농도를 450ppm 이하 유지 등의 글로벌 장기목표를 세웠으며, 이를 달성하기 위해 신재생·친환경 에너지의 비중을 지속적으로 확대하고 있다.  이러한 관심에 힘입어 에너지 하베스팅 세계시장 규모가 가파르게 성장하는 추세이며, 관련된 다양한 에너지 변환 메커니즘을 활용한 차세대 에너지 생산시스템에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이다. 최근 전자기술의 발전으로 무선 센서 네트워크, 모바일 기기와 같이 소형화된 전자기기를 구동하는 에너지도 감소함에 따라 작은 규모의 발전에 관한 관심이 증가하고 있으며, 이에 맞춰 나노기술이 발전함에 따라 기존에 버려졌던 작은 에너지까지도 효과적으로 수확할 수 있는 단계에 이르고 있다.  이에 맞추어 에너지 하베스팅 기술은 다양한 전자기기의 전원공급 문제를 근본적으로 해결하는 방법으로 제시되고 있다. 소형 에너지 하베스팅 방법에는 태양광을 이용한 솔라셀, 폐열로부터 전기에너지를 얻는 열전소자, 진동으로부터 전기에너지를 얻는 압전소자, 그리고 전자기파를 이용한 RF 방식이 있다. 실제 에너지에 따른 에너지 하베스팅 특성은 아래 표 1과 같이 다르며, 획득된 전기에너지는 그 크기에 따라 다양하게 사용될 수 있다.    본 보고서에서는 이러한 다양한 방식을 활용한 에너지 하베스팅 기술에 관해 기술하고자 한다. 특히 활용성이 높은 유연 소자를 활용 사례를 소개하고, 이를 바탕으로 에너지 하베스팅 기술에 대한 가능성을 보여주고자 한다.   Ⅱ. 에너지 하베스팅에서의 유연 소자 활용1. 유연 소자 기반 마찰대전 발전소자 현대 산업에서는 전자 소자의 집적화, 소형화, 저전력 소모 등의 성능 향상에 따라서 충전 및 저장 장치의 교체 없이 지속 가능한 에너지 공급이 점점 더 중요해지고 있다. 다양한 에너지 하베스터 중에서 마찰전기 발전기(TEG)는 높은 순간 출력, 광범위한 재료선택 가능성, 친환경적이고 저렴한 제조 공정 및 대상응용 분야에 맞춤화된 다양한 작동방식으로 인해 상당한 주목을 받았다.  TENG는 주변 환경에서 낭비되는 기계적 에너지로부터 전기에너지를 수확하는 장치로, 접촉 전기화(Triboelectrification)라는 서로 다른 두 물질이 접촉할 때 전하가 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하는 현상을 이용하는 것인데, 이는 본질적으로 매우 높은 전압을 발생시키기 때문에 불편함과 사고를 야기하는 부정적인 효과로 인식됐다. 그러나, Wang 연구실의 연구 결과를 통해 사고방식을 바꿈으로써, 마찰전기는 TEG를 통해 에너지 하베스팅의 기본적인 에너지원으로써 사용하게 되었다.    위의 그림 1을 보면 TEG는 두 가지 다른 매개가 이중 전극 또는 단일 전극 구조로써 접촉-분리, 슬라이딩 및 독립형을 기반으로 하는 세 가지 방식의 작동방식을 가진다. 각 방식의 특징을 살펴보면,  • 접촉-분리 방식은 가장 단순하고 기본적인 유형의 TEG로, 서로 다른 두 유전체가 마주 보고 있는 형태로, 각 유전체에 전극을 부착하여 접촉-분리의 반복적인 과정을 통해 두 물질 사이의 전위차가 생기고 전자가 움직여 교류전원 형태로 발생한다. • 슬라이딩 방식은 주로 문지름에 의한 회전 또는 병진 운동을 기반으로 한다. 마찰이 진행되는 동안 두 유전체 사이의 표면에 마찰 전하가 생성되어 두 전극 사이에 전위차가 발생하고, 이때 전위차는 접촉 면적에 따라 주기적으로 변화하여 교류전원 형태로 발생한다. 이러한 방식은 기계적 마모가 한계점으로 작용한다. • 프리스탠딩 방식은 움직이는 마찰전기 층과 주변 물질 사이의 자연적인 마찰을 기반으로 한다. 이 방식은 마찰전기 층의 전하가 오랫동안 유지될 수 있기 때문에 외부의 기계적 에너지로 주기적 통전이 필요하지는 않다는 특징이 있다. 이러한 불규칙성 때문에 전극과 대전물질 사이의 거리에 따라 변화하는 비대칭 전기장이 유도되며, 이 비대칭 전기장이 전위차를 일으켜 마찰전력을 유도한다. 이 방식은 재료 사이의 직접적인 마찰을 포함하지 않아 전압은 낮을 수 있지만, 마모가 적어 내구성이 비교적 좋다. • 단일 전극 구조로서 위의 세 방식을 적용할 수도 있는데, 이런 구조를 사용하게 되면 넓은 자유도를 보장하지만, 이중 전극 구조와는 달리 기준 전극이 없기 때문에 전압과 전류가 불안정하다는 한계가 있다. 이렇듯 마찰대전 소자는 접촉-분리 과정만으로도 전기에너지 생산이 가능하기 때문에 응용 가능성이 크며, 소자에 필요한 재료 수급이 용이하기에 제작비용이 저렴하다. 하지만 이런 TEG는 그림 2와 같이 마찰 기반의 발전과정으로 인해 마모가 필연적으로 발생하여 내구성과 수명이 낮다는 문제가 있다.     이러한 한계를 극복하기 위해 고유전율 유전체, 고분자 세라믹 복합재료 또는 윤활 재료와 같은 다양한 소재의 물질을 활용하거나 기존의 방식에 압전소자를 결합한 하이브리드 발전소자 개발을 하고 있으며, 특히 최근에는 유연 소자를 활용하여 마모성을 낮추고 출력은 높이는 연구를 활발히 하고 있다. 이를 통해 웨어러블 기기와 같은 더욱 많은 분야에 적용할 수 있게 되었다.  건강 보조 및 시스템 모니터링을 위한 웨어러블 또는 제조 장치에 활용되는 이러한 유연 소자들은 변형, 온도, 습도와 같은 다양한 자극에 노출되면 성능 변화가 일어나기 때문에 최근에는 특정 성능을 향상시킴과 동시에 다양한 환경적 자극에서 안정적인 성능을 유지하기 위한 연구가 큰 관심을 받고 있다. 특히 최근에는 응력 집중/방출 구조, 방열판 구조, 소수성 구조와 같은 구조적 설계를 추가적으로 활용하여 외부 환경 자극에 대한 변화를 해결하는 연구가 활발하다.  최초의 구조변경설계는 금속 필름의 나노 패턴을 통해 도입되었으며, 이는 굽힘 상황에 나노 패턴 금속 필름의 공극이 균열의 전파를 억제해 전기 전도성을 유지할 수 있게 했다. 이러한 패턴의 전극은 6.3% 굽힘 변형률 하에서 20% 미만의 저항 변화를 보였다. 또한 전기저항의 변화는 10,000번의 굽힘 후 21%에 불과하며 투명도 또한 향상되었다.     하지만, 유연전극은 굽힘뿐만 아니라 늘어나는 상황에도 저항을 유지해야 한다는 점에서, 금속 막의 나노 패턴 필름은 전류의 흐름을 방해하는 균열로 인해 신축성에는 한계를 보인다. 이러한 단점을 보완하기 위한 추후 연구들이 진행되었다. DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀에서 최근 무연납 다강성 물질을 탑재한 하이브리드 Piezo-TENG를 개발하였다. 3개의 층을 포함하는 Aurivillius 기반 티탄산 비스무트(BiTO)를 재료로 한 Bi2O2 층은 절연 상유전성을 가지며 분극 특성을 가진다. 이 BiTO는 무독성이며 납이 포함되어 있지 않은 친환경 물질로 신체에 직, 간접적으로 적용돼도 무해하다.  이러한 무연 세라믹은 일반적으로 brittle 한 성질을 가지기 때문에 부서지기 쉬우나 이를 폴리머-세라믹 복합 재료개발을 통해 단점을 보안하였다. 고분자는 유연성이 우수하고 제조하기 쉬운 특성이 있는데, 그중에서도 실리콘오일(PDMS)은 나노 발전기 및 코팅, 접착제, 복합재와 같은 다른 응용 분야 내부의 적응성 및 표면 특성으로 인해 폭넓게 사용되는 마찰전기 재료이다. 이러한 소재들을 이용해서 그림 4과 같이 BiTO/PDMS 복합필름으로 구성된 다중 단위 HNG 장치를 개발하였다.    개발된 나노 발전기는 기존의 마찰전기 나노 발전기와 압전 나노 발전기를 합친 형식으로, 마찰에서 일어나는 에너지와 기계적 운동에서 발생하는 에너지를 모두 전기에너지로 바꾼다. 이를 통해 김 교수팀은 다음 그래프의 수치와 같이 기존의 압전 나노 발전기에 비해 약 20배, 마찰전기 나노 발전기에 비해 약 3배에 달하는 출력증가를 달성했다.  추가적으로 연구진은 상자 안에 2개의 나노 발전기 유닛을 서로 연결하고 사이에 작은 공을 통해 전류 전달이 가능하도록 하였다. 이를 통해 모터가 움직이며 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환, 축전기에 저장한다. 그림 5와 같이 생성된 에너지양은 LED 조명, 손목시계 등 소형 전자기기를 작동시키기 충분할 정도로, 활용 가능성이 매우 크다고 평가받는다.  2. 유연 소자 기반 압전 발전소자 압전소자는 외부의 기계적 에너지를 금속판 사이에 있는 압전소재에 전달하여 에너지를 재료를 통해서 전기에너지로 변환하는 방식의 소자이다. 압전의 진동에 의해 발생하는 전력은 최대 2mW정도로 40mAh 배터리를 1시간에 충전할 수 있을 정도의 에너지를 제공한다. 이러한 특징을 가지는 압전 에너지 하베스터는 뛰어난 압전성능뿐만 아니라 유연성과 견고성을 요한다.  위와 같은 조건을 만족하는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 메틸 메타크릴레이트(PMMA)와 같은 폴리머를 사용하는 유연 압전 에너지 하베스터는 높은 탄성 및 내산성으로 인해 거친 환경에서도 파손되지 않는 장점이 있다. 하지만 이러한 재료들의 가동온도는 200도 미만으로 다른 압전재료보다 낮다는 한계점이 있다. 이를 해결하기 위해 페로브스카이트(Perovskite) 구조를 갖는 BLF-PT 고용체가 최근 연구에서 주목을 받고 있다. 이 고용체는 PI 기반 합성물로 고온에서도 견딜 수 있어 장치의 작동범위가 크게 확장되었다. 또한 기존에 사용되던 압전소자들보다 전압 출력이 증가하였고 제작방식이 단순하여 비용이 절감되었다고 한다.     이러한 BLF-PT의 영향을 입증하기 위해 압전소자의 출력 신호에 대한 weight fraction을 BLF-PT의 중량비를 5~30wt%의 비교군으로 0.18MPa의 압력과 1Hz의 주파수를 적용하여 생성해 보았다. 그 결과 다음 그림 7과 같이 BLF-PT 비율이 증가함에 따라 출력 전압 및 전류가 증가하였다. 이를 통해 복합재료의 향상된 압전성에 기인할 수 있으며, 추후 다양한 flexible 압전 하베스터의 연구에 이점이 될 것이다.      3. 유연 소자 기반 열전 발전소자 열전소자는 소재 양단의 온도 차이로 인해 생성되는 전압을 활용하는 에너지 변환 소자로 산업현장의 폐열 등 버려지는 열에너지를 실생활에서 활용 가능한 전기에너지로 변환시킨다. 이때 크게 Seebeck effect(제백 효과), Peltier effect(펠티에 효과)를 이용하는데 제백 효과는 서로 다른 두 금속선 양쪽 끝을 접합하여 폐회로를 구성해 전위차를 이용하는 것이고, 펠티에 효과는 열전대에 전류를 흐르게 했을 때, 전류에 의해 발생하는 열 외에 각 접점에서 발열 혹은 흡열 작용이 일어나는 현상이다.  이러한 열전소자의 최대 장점은 지구의 모든 열원에서 손쉽게 에너지 확보가 가능하다는 점이다. 또한 열전소자는 냉각과 가열이 모두 가능하고, 상온 부근에서의 낮은 온도 차에서도 에너지 확보가 가능하다. 하지만 기존 열전소자의 경우 단단한 금속 기반 전극과 반도체를 사용하여 유연하지 못하기 때문에 평평하지 못한 표면에서의 열원을 온전히 흡수하기 어려움이 있어 한정된 분야에만 활용되었다.  최근에는 이러한 한계점을 뛰어넘기 위해 사람의 피부나 산업현장의 온수 파이프 등 다양한 형태의 열원에 밀착하여 에너지를 생산할 수 있는 유연한 열전소자를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 유연 열전소자 연구에 주로 사용되는 기판의 경우 열전도율이 매우 낮아 열에너지 전달 효율이 낮았고, 유연성이 부족하여 열원과 접촉 시 공기와 같은 열 차단층이 생겨 열 흡수 효율 또한 낮았다. 이를 해결하기 위해 높은 유연성을 가지는 유기물 기반 열전소재의 개발 또한 진행되고 있지만, 기존 무기물 기반 단단한 열전소재와 비교해 현저히 낮은 성능 때문에 실제 웨어러블 기기에 응용하기 어려웠다.    이를 해결하기 위해 한국과학기술연구원(KIST) 복합소재기술연구소에서 무기물 기반 고능 열전재료를 은(Ag) 나노 와이어가 삽입된 실리콘 화합물 소재인 신축성 기판(PDMS)으로 연결하여 열전소자의 저항은 낮추면서 유연성을 높인 재료를 제작하게 되었다 이러한 방식으로 제작된 열전소자는 유연성이 뛰어나 휘어지거나 늘어나도 안정적인 동작이 가능하게 되었다. 또한, 신축성 기판 내부에 열전도율이 높은 금속 입자를 넣어 신축성 기판의 열전달 능력을 기존보다 800%가량 향상시키고, 전력 생산량은 3배 이상 높였다.  이러한 소자는 산업현장의 고온 감지 센서로 활용하거나 자동차의 내/외부의 온도 차를 이용하여 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서를 만들 수 있어 고온 환경에서 폭발의 위험성이 있는 배터리 기반 센서 시스템의 전원 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 더욱 나아가 외부의 열을 이용하여 다음 그림과 같이 고온 감지 센서 장갑 등 웨어러블 기기에도 적용 가능하며, 궁극적으로는 체온만으로도 디바이스를 구동 시킬수 있는 장치와 같이 배터리 없는 웨어러블 기기 상용화에 기여할 수 있을 것이다.      Ⅲ. 결론   세계적으로 에너지 하베스팅에 대한 기초연구는 상당히 많이 이루어져 있다. 그러나 실제 기기로 응용되기 위해서는 각각의 상황에 맞는 구조로 변경되어야 한다. 예를 들어 강한 힘이 가해지고 작은 움직임이 있는 환경에서는 딱딱한 재료를 이용한 발전이 유리하며, 가해지는 힘이 작은 환경에서는 작은 힘에서도 변형이 일어날 수 있는 나노구조, 유연 발전기가 유리할 것이다. 즉, 각각의 하베스터가 적용될 수 있는 사용환경에 대한 분석이 우선적으로 되어야 하며 여기에 부합되는 발전기가 설계되어야 한다.   예를 들면 진공펌프와 같이 주기적으로 진동하는 환경에서는 캔틸레버형 발전기구조를, 사람들이 걸어 다니는 도로 또는 계단에서는 보도블록 형태의 구조로 최적화되어야 할 것이다. 또한 LED와 결합한 비상용 블록, 운동기구와 결합한 발전 등 기존에 존재하는 기술과 융합함으로써 새로운 응용을 개척할 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 유연한 발전기는 의류 분야와 결합하여 웨어러블 컴퓨터 등의 보조 동력원으로도 활용될 수 있을 것이다. 이 밖에도 생체 친화적인 재료를 이용하여 소형으로 제작할 경우 사람 인체 내부에 삽입하여 심장박동 자극기 등의 보조 동력원, 조류의 이동 경로를 파악할 수 있는 센서의 동력원 등으로도 그 적용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 판단된다.       
편집부 2024-08-11
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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 데이터 분석 (부제: 사출성형 공정 그래프(Graph)에 대한 분석 및 이해)

최근 사출성형 산업계에서는 극심한 경쟁 구도에 직면하고 있으며, 이로 인하여 지속적인 생산성 향상, 엄격한 품질 관리, 인건비 절감 등의 요구에 직면하고 있다. 이러한 산업환경 변화에 대응하기 위하여, 고품질 또는 대량 생산 플라스틱 제품을 중심으로 센서를 이용한 사출성형 모니터링 시스템의 활용이 확대되고 있다. 이 연재 기사에서는 각종 센서와 사출기에서 얻어지는 데이터(그래프)를 이해하고 활용하는 방법에 필요한 기본지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.RJG 사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정 받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사의 게재된 자료들은 RJG 사의 모니터링 시스템( eDart / Copliot )에 기반을 두고 있으며, RJG 사에 Copyright의 모든 권한이 있음을 밝힌다. 자료제공: 이길호 대표이사(씨에이프로(주), RJG 사 공식 컨설턴트/트레이너)      Ⅲ. 성형 중에 얻을 수 있는 그래프의 해석 및 이해  4. 모니터링 시스템에 의하여 가공된 2차 데이터  모니터링 시스템에서는 각 사이클마다 그래프를 실시간 수집/저장하고, 이를 분석하여 그래프의 특징을 규정할 수 있는 많은 수의 단일(Single) 값을 계산한다. 이를 이용하여 공정을 분석하고, 공정과 불량 모니터링에 사용하게 된다.이를 2차 공정 값(2nd Process Value)이라고 명칭하며, 기술의 성숙도나 노하우(Know-How)에 따라 업체별로 제공되는 값의 다양성과 중요도가 다르게 나타난다. 아래에서는 일반적으로 그래프에서 추출할 수 있는 공정 값을 앞의 장에서 기술한 그래프의 분석 방법을 기준으로 정리하였다. (1) 평균 값(Average Value)(2) 비율 값(Rate Value)(3) 적분 값(Integral Value)(4) 구간 값(Range Value)(5) 평형 값(Balance Value)(6) 기타 – 특정 값(Specific Value) 4.1 평균 값(Average Value) 계산되는 다양한 측정값에 대한 평균값을 계산할 수 있으며, 사출성형 공정 데이터에서는 세 가지 종류의 평균값이 있다.첫 번째 종류는 단일 사이클 곡선의 데이터 포인트를 평균으로 계산된다. 예를 들어, “보압의 평균값”은 사이클의 2단계인 보압(Holding) 공정 중 사출 압력 곡선을 구성하는 데이터의 평균 압력을 계산한다.        “안정된 보압의 평균값”은 사출 압력 곡선의 평평한 부분(보압 공정)의 압력이며, 이러한 종류의 평균값 측정은 일반적으로 보압 공정 압력(Hold Pressure), 배압(Back Pressure) 또는 충진 속도(Injection Speed)와 같은 기계 설정의 반응을 모니터링하는 데에 사용된다.      두 번째 종류의 평균값은 여러 캐비티에서 측정된 데이터에 대한 요약 값으로 계산된다. 예를 들어, “PST(포스트 게이트) 압력 피크의 평균값”은 한 번의 샷(Shot) 동안 동일한 형상의 다른 캐비티에 장착된 포스트 게이트(PST) 센서들의 피크 평균이며, 이것은 많은 데이터 포인트를 하나로 바꾸어 편리하게 사용하는 방법이다. 캐비티에 센서가 있는 동일 형상의 8-캐비티 금형이 있다고 가정하면, 8개의 피크 압력을 모니터링하는 대신 구간 값과 함께 단일 평균값만을 모니터링하여 작업자가 공정 성황을 쉽게 판별하도록 도움을 준다. 마지막 평균값은 작업이 시작된 이후부터 이전 교대 근무 기간동안의 사이클 시간 동안의 평균이다. 이는 생산에서 제품의 품질이 안정적으로 유지되고 있는지를 비교 평가할 수 있게 도움을 준다.       평균값으로 도출할 수 있는 결과는 사용하는 센서의 종류에 따라 차이가 있으며, 일반적으로 배압(Back Pressure), 냉각수 압력 차이(Coolant Delta Pressure), 캐비티 압력(Cavity Pressure), 사출 속도(Fill Speed), 보압(Hold Pressure), 사이클 시간(Cycle Time) 등과 같은 값들에 대한 평균을 계산하여 사용한다.  4.2 비율 값(Rate Value) 비율 값은 수집된 그래프에서 기울기(Slope)를 추출한 값으로, 특히 공정 중의 압력 곡선에서 (+/-)기울기를 계산하여 금형 내에서의 용융재료의 변화를 예측하는 데에 사용한다. 앞의 장에서 언급한 바와 같이 (+)기울기는 충전(Pack) 속도를 (-)기울기는 냉각 속도와 관계가 있다. 냉각 속도는 얇은 두께 제품, 반 결정성(Semi-Crystalline) 재료, 질감 표면이 있는 제품, 그리고 섬유 충전재료 등을 이용하는 공정인 경우에 냉각 속도가 공정 모니터링에 매우 유용하며, 냉각 속도의 변화는 압력 변화보다는 주로 용융 온도와 금형 표면 온도의 변화로 인해 발생한다. 냉각 속도는 캐비티 압력 곡선이 얼마나 빨리 떨어지는지에 따라 계산되며, 이 숫자는 곡선 압력 데이터가 곡선의 피크(Peak) 압력보다 1% 낮아질 때 계산을 시작한다. 이것은 반 결정성 재료를 사용하는 공정에서 금형 온도나 재료의 용융 온도를 조절 여부와 냉각 시스템의 부적합한 작동을 확인하는 데 사용될 수 있다. 이러한 값은 게이트의 고화 시점이 안정되지 않으면 측정값이 변경되므로 게이트 씰(Seal)과 함께 사용하는 것이 좋다. 충전(Pack) 속도는 본질적으로 충전 중 캐비티 압력 곡선의 2차 기울기(캐비티가 충진을 완료하는 시간과 충전을 완료하는 시간 사이)이며, 충전(Pack) 속도는 일반적으로 얇은 두께의 제품과 질감이 있는 제품의 품질에 가장 큰 영향을 미친다.      4.3 적분 값 (Integral Value) 적분은 전체 사이클 또는 세부 공정 구간에서의 그래프 곡선 아래 면적이며, 이는 캐비티 압력 곡선의 모든 변화를 감지하는 데 가장 기본적인 계산 값 중 하나이다. 사출 압력의 경우, 사이클 적분은 사출 시작부터 스크류 런(Run) 종료까지 계산되고 값은 곡선 아래의 면적과 동일하며, 세부 공정 적분은 각 공정 구간에서 그려진 곡선의 면적만을 나타낸다. 특히 사출 압력의 충진(Fill) 구간에서의 적분 값은 금형에 주입되는 용융재료의 점도와 깊은 관계가 있으며, 이를 유효 점도(Effective Viscosity)라고 부른다. 스크류 위치에 대한 판독 값이 있는 경우, 적분 값은 제로 라인을 통과하는 지점에서부터 계산되며, 이는 감압(Decompression)을 제외하기 위함이다.      위의 그림과 같이 캐비티 압력의 경우, 금형 개방 신호가 없는 경우 사이클 적분은 사출 시작부터 스크류 작동 종료까지 계산되며, 금형 개방 신호가 있는 경우 소프트웨어는 이전 사이클에서 1초를 빼서 계산의 종료 시간으로 사용하는 것이 바람직하다. 금형 개방 신호가 없고 스크류 작동 중 캐비티에 잔류 압력이 있는 경우, 사용자가 적분 구간을 임의로 설정하여야 한다.  계량(Recovery) 공정 동안의 적분은 한 사이클 동안 지연시켜야 하며, 이렇게 하면 계량된 재료와 금형에 주입된 재료가 동일하게 같은 사이클(Cycle)에 데이터를 저장할 수 있다.      적분 값은 주로 사출압(Injection Pressure), PST/EOC/MID 위치의 캐비티 압력(Cavity Pressure), 충진 체적(Shot Volume) 등과 같은 데이터 곡선에 대하여 계산한다.  4.4 구간 값(Range Value) 구간 값은 동일한 형상의 다수 캐비티의 동일한 위치에 설치된 센서에서 얻어지는 값의 차이이며, 예를 들어, 각 캐비티 충진 시간의 구간 값은 동일한 금형의 서로 다른 캐비티에서 높은 캐비티 충전 시간과 낮은 캐비티 충전 시간의 차이를 나타낸다. 이것은 평형(Balance)값과 유사하지만, 평형 값은 백분율로 표시되고, 구간 값은 실제 단위로 표시된다. 대부분의 경우, 구간(Range) 값 대신 평형(Balance) 값이 직관적으로 판단하기에 유용하며, 여러 캐비티에 동일한 센서 위치가 없으면 구간(Range) 값이 계산되지 않는 것에 유의하여야 한다. 구간 값으로 도출할 수 있는 결과는 주로 설치된 각 압력센서로 얻어지는 캐비티 압력(Cavity Pressure) 그래프에서 계산되어 사용된다.  4.5 평형 값(Balance Value) 평형값은 여러 캐비티에 설치된 센서에서 수신되는 그래프에서 추출한 값들을 이용하여 각 캐비티에서 용융재료가 동일하게 성형되는지 여부를 확인하는 데 사용된다. 예를 들어, 각 센서의 최대(Peak) 압력 값을 사용하여 캐비티 간 피크 캐비티 압력이 얼마나 다른지 확인할 수 있으며, 이상적인 것은 평형값이 100%이고, 숫자가 낮을수록 평형(Balance)이 나쁘다고 볼 수 있다. 핫런너 금형의 경우에 캐비티 충진 시간(Cavity Fill Time)의 평형 값을 모니터링 하여 게이트 가공 정밀도를 판단하거나 구역 온도를 조정해야 하는 시기를 확인할 수 있다.     4.6 기타 – 특정 값 (Specific Value)   • 게이트 씰(Gate Seal) 게이트 씰 측정은 게이트가 실링(고화되어 닫힘) 되었는지 또는 게이트가 정상적으로 실링 되지 않았는지, 게이트 실링 ​​양이 변경되었는지 알려주도록 설계되었다. 100%의 값은 게이트가 완전히 실링 되었음을 나타내며, 값이 적을수록 캐비티의 압력이 게이트를 통하여 소실되는 정도가 심함을 나타낸다.  과도한 금형 처짐이 있는 경우에 형체력이 해제될 때 캐비티 압력이 증가하며, 이로 인하여 게이트 실 계산 값이 부정확해진다. 또한 재료가 주입이 끝나자마자 결정화되는 경우에도 지나치게 낮은 수치가 계산될 수 있다. 대부분의 부품에서 게이트 실 특정 값은 모니터링 또는 알람 설정에 매우 유용하다.  • 충진 전단 속도(Shear Rate) 이 계산에는 “충진 전단 속도, 역충진 시간”과 “충진 전단 속도, 압력 변화”라는 두 가지 특정 값이 포함한다. 첫 번째 계산은 “사출기의 시퀀스 시간의 역수”이며, 이는 유변학(Rheology) 곡선에서 전단 속도에 사용되는 값이다. 이 값을 이용하면, 유변학(Rheology) 곡선을 만들기 위해 수동으로 충진 시간을 역전할 필요가 없게 된다.      • 템플레이트 매치율(Template Matching %) 최적의 성형 조건을 템플레이트(Template)로 저장하여, 모든 측정값과 계산 값들을 실시간으로 기준값들과 비교 평가할 수 있다. 아래의 그림은 선택된 값들의 변동을 기준값과 실시간으로 비교한 수치를 표시하는 창(Window) 이다.  • 동압 손실(Dynamic Pressure Loss) 동적 압력 손실은 두 센서 위치 간, 또는 사출 압력과 캐비티 압력 간의 압력(또는 압력 강하) 차이이며, 정적(Static) 압력 손실과 달리 동적 압력 손실은 캐비티가 충전을 완료하기 전까지 측정된다.  두 캐비티 압력센서 간의 동적 압력 손실의 경우, 손실은 사출기의 충진이 끝날 때 각 센서의 압력 차이를 계산한다. 사출 압력과 캐비티 압력센서 간의 동적 압력 손실은 사출압과 설정된 캐비티 압력 간의 차이이다. 동적 압력 손실은 일반적으로 캐비티 압력 데이터의 고수준 분석에 더 많이 사용되지만, 금형 내부의 데이터를 사용하여 점도의 변화를 감지하는 데에도 사용할 수 있다. 이는 여러 사출기에서 금형을 이동해 가며 생산을 할 때, 기계에 독립적인 점도 측정 방법으로 유용하게 사용할 수 있다.    • 정압 손실(Static Pressure Loss)  정적 압력 손실은 두 센서 위치 간 또는 사출 압력과 캐비티 압력 간의 압력(또는 압력 강하) 차이며, 동적 압력 손실과 달리 정적 압력 손실은 캐비티가 가득 차고 충전(Pack)될 때 피크 캐비티 압력에서 계산된다. 두 캐비티 압력센서 간의 정적 압력 손실은 각 센서의 피크 압력 간의 차이이며, 사출 압력과 캐비티 압력센서 간의 정적 압력 손실은 보압(Hold) 압력과 피크 캐비티 압력 간의 차이이다. 정적 압력 손실은 일반적으로 캐비티 압력 데이터의 고수준 분석에 사용되며, 일반적으로 부품의 내부 응력의 양과 관련이 있다.    본문에서 사용된 그림이나 표 등은 RJG 사 또는 씨에이프로(주)와 사전 협의 없이 무단으로 사용될 수 없음을 양지하여 주시기 바랍니다. 기술된 내용에 대하여 더욱 자세한 내용을 원하시면, www.rjginc.com의 ‘Resource Center’를 방문하시거나, 씨에이프로(주)로 문의하시기 바랍니다.   
편집부 2024-08-11
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가소화 스크류에 관한 모든 것 Part 1

 WITTMANN innovations (Volume 14 - 1/2020)Filipp Pühringer/heads the WITTMANN BATTENFELDProcess Engineering Development Department.  총 3부로 구성된 기획 시리즈 중 Part 1에서는 가소화 장치의 기본 설계와 사출장치의 올바른 선정에 관해 설명한다. 사출량을 기준으로 필요한 스크류 직경을 확인하는 방법을 보여준다. 평균 체류 시간에 대한 공식을 사용하여 재료의 활용도 및 열부하를 산정할 수 있다(높은 부품 품질을 위해 낮게 유지해야 한다). 마지막으로, 최대 사출압력과 사용 가능한 스크류 토크는 성공적인 사출성형 생산을 위한 핵심 변수이다. 이는 배럴 및 스크류 조합 선택을 위한 기본 원칙과 추가적으로 최적화를 위한 시작점이다.        사출성형기를 설계하는 것은 실제로 매우 복잡한 작업이며, 기계를 선택할 때 잘못된 선택을 하지 않으려면 먼저 많은 주요 매개 변수를 식별하여 산출에 포함해야 한다. 고품질의 부품을 성형하는데 중요한 성공 요인이므로 가소화 장치에 특히 주의해야 한다. 이러한 장치가 충족해야 하는 요구 사항은 매우 복잡하지만, 장비 설계단계에서 이미 서로 다른 측면을 신중하게 균형 조정함으로써 목표 충돌을 제거할 수 있다. 예를 들어, 가능한 최고의 처리량에 대한 요구는 재료 균일성, 용융 품질, 운반 안정성 및 내마모성 요구 사항과 충돌한다. 내마모성은 가공된 재료의 유형에만 의존하는 것이 아니라 형상과 올바른 재료선택 간의 체계적인 상호 작용으로 인한 속성이다. 여기에 제시된 논의는 가소화 장치와 사출장치의 기본 설계를 계획할 때 고려해야 할 사항에 중점을 둔다. 가소화 장치와 사출장치의 기본 설계에 대한 정의는 다음 단계의 전제 조건, 즉 스크류 구조의 선정을 제공한다. 다음 시리즈에서는 새로운 스크류 구조의 개발에 대해 자세히 설명한다.(새로운 스크류 구조를 개발할 때의 제한 요인은 압력, 온도, 계량 토크 등과 같이 성형 재료와 기계에 가해지는 하중이다.)  가소화 장치의 기본 설계  사출량 Shot volume 성형할 재료에 따라 가소화 장치의 최적 작동 범위는 대략 1D에서 3D까지의 스크류 직경(D)이다. 사출장치를 로딩하기 위해 4D 이상의 계량 행정을 선택하면 더 이상 최대 공정 안정성을 보장할 수 없다. 가능한 결과는 계량 시간 변동, 공기 유입 및 장치의 마모 가속이다. 그 이유는 계량 행정이 증가하면 유효 스크류 길이*가 줄어들기 때문이다. 따라서, 채널의 길이는 압축 수준으로 단축되는데, 이는 재료가 용융을 위해 충분한 열을 흡수하는 시간이 짧다는 것을 의미한다. 결과적으로, 채널 내부의 압력이 상승하여 재료와 기계가 모두 변형된다. 사출량 VSCH는 다음과 같이 산출된다. * 유효 스크류 길이: 재료 공급 구멍의 앞쪽 가장자리와 배럴의 작업 존 내부의 스크류 끝 사이에 있는 스크류 길이로 재료 이송 및 압력 상승에 결정적이다.      핫러너 금형의 경우 핫러너를 주기적으로 언로드해야 하는지 여부에 따라 핫러너 내부의 용융재료 압축을 고려해야 한다(예: 흐름이 용이한 재료로 오픈 핫러너의 경우). 용융 압축률이 높고 사출압력이 높을수록 핫러너의 계수 fHK가 높아진다. fHK의 일반적인 값은 0.1과 0.3 사이이다. 따라서, 비교적 작은 부품 중량 mT로도 필요한 스트로크양이 두 배가 될 수 있다.  굳은 스프루를 사용한 금형의 경우 계수 fHK는 0을 향하는 경향이 있다. 굳은 스프루 시스템의 중량은 부품 중량 mT에 포함되고 그에 따라 고려된다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 잔류 용융 쿠션량(VMP)은 스크류 직경(D)과 관련하여 변해야 한다. 일반적으로, 0.1 내지 0.3D의 스크류 스트로크가 보압 단계의 끝 배럴 내부에서 발견되어야 한다. 따라서 용융 쿠션량 VMP는 다음과 같이 계산되어야 한다.      스크류 직경은 이론 사출 용적에서 도출할 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 계량 스트로크는 1~3D 스크류 직경 길이와 동일한 거리로 정의할 수 있다. 따라서 다음 제한 직경이 스크류에 적용된다.     스크류 직경의 최종 선정에서 성형할 모든 부품의 특성을 고려해야 한다. 계산된 직경 범위를 신중하게 고려한 후 실제 스크류 직경이 선정된다.  체류 시간 Residence time 체류 시간은 배럴 내부에 지정된 플라스틱 입자가 소요한 시간이다. 그러나 배럴 내부의 복잡한 흐름 과정으로 인해 모든 용융 분율에 동일하게 적용되는 정확한 시간 범위는 없지만, 특정 체류 시간 분포가 있다. 이는 채널 체적, 총 사이클 시간, 재료 벌크 밀도, 용융 밀도 및 배압 및 스크류 속도와 같은 공정 매개 변수와 같은 요소에 따라 다르다. 체류 시간 분포는 균일성과 충분한 가소화에 관한 재료 품질에 대한 정보를 제공한다. 체류 시간 분포가 넓을수록 균질화 효과가 높아진다. 체류 시간 분포를 계산하는 것은 복잡한 수학적 작업이다. 그러나 실제로는 평균 체류 시간 tV에 대한 단순화된 공식이 종종 평가에 충분하다. 평균 체류 시간은 플라스틱 입자가 배럴 내부에서 평균적으로 소요하는 시간이다. 평균 체류 시간은 재료의 열 손상의 첫 번째 지표로 제공된다.          계수 fMAT는 변하는 재료 밀도를 고려한다. 예를 들어, 고체 재료의 밀도는 용융 수지의 밀도보다 높으며, 이는 다시 과립화된 원재료에서 발견되는 벌크 재료 밀도보다 높다. 실험에 따르면 이 요소는 일반적으로 0.8과 0.9 사이이다.따라서, 산출된 체류 시간은 스크류의 공급 존에서 과립 입자 사이의 빈 공간에 의해 감소된다.일반적인 유형의 플라스틱의 경우 2분에서 약 8분 사이의 최적 시간 창이 예상된다. 체류 시간이 최소 1분 이하로 떨어지지 않아야 한다. 또한, 첨가제 및 베이스 폴리머의 유형에 따라 플라스틱의 열 안정성에 큰 차이가 있음을 언급해야 한다. 따라서 일부 특수 유형의 재료(예: 렌즈 생산용)는 30분 이상의 체류 시간을 쉽게 견딜 수 있는 반면, 의료 성분이 있는 플라스틱의 경우 분해 프로세스가 이미 2분 후에 시작될 수 있다. 특정 스크류 구조를 개발하는 단계에서 정확한 채널 볼륨은 아직 알려지지 않았다. 여기에서 기존 표준 3존 스크류의 볼륨을 예비 방향으로 사용할 수 있다. 동일한 원리에 따라 작동하는 스크류의 경우 일반적으로 볼륨이 표준값에서 약간 벗어난다.원칙적으로, 체류 시간의 계산은 스크류의 전체 길이에 대한 제1 기준값을 제공할 수 있다. 스크류는 매우 짧은 체류 시간 동안 연장되고 매우 긴 체류 시간 동안 단축된다.      최대 스크류 토크 Maximum screw torque 모든 사출장치에는 최대 스크류 구동 토크가 있다. 설치된 드라이브 시스템에 의해 고정된다. WB의 사출성형기는 다양한 장비 변형과 함께 사용하여 더 높은 구동 토크를 제공한다. 이와 관련하여, 구동 스크류의 기계적 강도도 고려해야 한다. 여기서 가장 얇은 단면이 제한 요인이다. 따라서, 구동 토크는 스크류 파손을 방지하기 위해 각 타입의 스크류의 강도에 맞춰진다. 필요한 토크를 결정하기 위해, 성형할 재료의 점도뿐만 아니라 스트로크 활용률 및 체류 시간과 같은 미리 정의된 변수가 결정적이다.WB(Wittmann Battenfeld)는 정확한 계산 도구를 사용하는 것 외에도 이전에 설치된 수많은 시스템에서 광범위한 경험을 바탕으로 각 경우에 올바른 선택을 할 수 있다.  최대 사출압력 Maximum injection pressure 모든 경우에 가능한 최대 사출압력을 확인해야 한다. 사출장치의 모든 크기에 대해 서로 다른 치수의 배럴을 선택할 수 있다. 특히 큰 배럴의 경우 최대 사출압력을 준수해야 한다. 스크류의 단면적이 더 크기 때문에, 동일한 사출력을 얻도록 더 낮은 절대 사출압력이 설정될 수 있다. 또 다른 중요한 점; 스크류 직경이 작을수록 특정 사출압력 대 사출력의 전달 비율이 높아져 제어 정확도에 영향을 미칩니다. 이것이 궁극적으로 어떤 크기의 큰 장치에 작은 배럴을 설치할 수 없는 이유이다. 실제로, 요구되는 사출압력은 경험에 의거한 값으로부터 도출되거나 계산에 의해 결정된다(예를 들어, 충진 시뮬레이션에 의해). 그럼에도 불구하고 충분한 예비를 제공하기 위해 기계 공학 설계를 해야 한다.  의사 결정을 위한 기본 변수  사출량, 체류 시간, 최대 스크류 토크 및 최대 사출압력: 이러한 핵심 파라미터를 명확하게 하면 스크류의 크기를 결정하고 스크류에 맞는 올바른 사출장치를 선택할 수 있게 하거나 혹은 두 가지 결정에 강하게 제한해야 한다. “Wittmann innovations” 매거진의 다음 호인, 이 기획 시리즈의 두 번째인 Part 2에서는 3-존 스크류의 예를 사용하여 주어진 스크류의 형상을 시뮬레이션 평가하는 기본 방법이 제시된다.     
편집부 2024-08-11
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화학연, HD현대, 에코프로HN과 공동 개발한 온실가스 활용 메탄올 생산 기술 이전 협약식 개최

- ㈜가스엔텍에 이산화탄소와 메탄 기반 메탄올 생산 기술 이전을 통해, LNG 관련 산업에서 자연적으로 손실되는 BOG 가스를 활용한 온실가스 저감 메탄올 상용화 기술 발판 마련   도시가스의 연료로 사용되는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 ‘LNG’)는 메탄(CH4)이 주성분이다. 메탄은 단기적인 온실효과가 이산화탄소에 비해 80배 높아, 메탄을 줄이거나 다른 물질로 전환하는 연구가 활발하다.  정부도 탄소 중립 녹색성장위원회에서 발표한 ‘2050 탄소 중립 녹색성장 국가 기본계획’과 탄소 중립 100대 핵심기술 등을 통해 메탄 전환 기술 확보에 집중하고 있다. 이런 가운데 국내 연구진과 산업계가 공동연구를 통해 메탄과 이산화탄소를 원료로 하여 온실가스 저감 메탄올을 생산하는 공정 기술을 개발하고, LNG 관련 분야의 또 다른 국내 기업에 해당 기술을 이전하는 계약을 체결하였다.     5월 14일, 한국화학연구원 대회의실에서 온실가스 활용 메탄올 제조 기술이전 협약식 후 기념 촬영을 하고 있다.    한국화학연구원(원장 이영국), HD한국조선해양㈜(대표 김성준), HD현대중공업㈜(대표 이상균), HD현대오일뱅크㈜(대표 주영민), ㈜에코프로HN(대표 김종섭)은 ㈜가스엔텍(대표 곽정호)과 5월 14일 오후 1시 30분, 화학연에서 기술이전 협약식을 개최했다. 협약식은 화학연 이영국 원장, HD한국조선해양 박상민 상무, HD현대오일뱅크 한장선 부사장, ㈜에코프로HN 김승욱 이사, ㈜가스엔텍 곽정호 대표 등 관계자 10여 명이 참석한 가운데 진행되었다. 화학연 전기원 박사 연구팀은 메탄과 이산화탄소에 수증기를 섞은 혼합기체를 촉매에 통과시킴으로써 합성가스*를 제조하는 리포밍* 신공정 기술을 개발했다. 또한, 제조된 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 통합 공정도 개발해 온실가스 저감 가능 기술을 확보했다. * 합성가스(synthesis gas): 일산화탄소와 수소로 이루어진 혼합가스로서, 조성에 따라 다양한 원료나 화학물질을 합성할 수 있는 가스* 리포밍: 메탄으로부터 합성가스를 생성하는 반응   ㈜가스엔텍은 이번에 이전받은 기술을 활용해 LNG 화물 탱크에서 자연적으로 증발 및 기화하는 천연가스(Boil Off Gas, BOG)로부터 메탄올 생산 기술의 상용화를 계획하고 있다. BOG와 이산화탄소를 원료로 메탄올을 생산함으로써 탄소 중립 기술의 발판을 마련하였다.    [그림 1] 이산화탄소와 메탄 기반 메탄올 생산 공정 기술 모식도물과 메탄과 이산화탄소를 활용하여 합성가스를 제조하고, 합성가스를 활용하여 메탄올 제조함으로써, 이산화탄소와 메탄 기반 메탄올 생산 공정 기술을 개발 완료함    도시가스는 난방뿐만 아니라 온수용, 취사용으로 사용되며 우리의 일상을 편리하게 만들어 준다. 그런데 도시가스의 연료로 주로 사용되는 LNG를 운송 및 운영하는 과정에서 자연적으로 증발·기화하는 BOG가 발생하게 된다. 화물창의 BOG 관리를 제대로 하지 못할 경우 폭발의 위험성과 상업적 손실을 발생할 수 있다. 그러므로 LNG 운영 선박 및 발전소에서는 BOG 관리가 매우 중요하다. 기존 BOG 처리 방법은 크게 3가지로 나뉜다. 첫 번째로 연소 시스템을 활용해 태우는 방법, 두 번째는 다시 액화시켜 LNG 탱크 안으로 돌려보내는 방법, 마지막으로 LNG 선박 연료로 사용하는 방법 등이 있다. 위의 방식들은 에너지를 소모하거나, 에너지로 활용되는 방법으로서, BOG 활용 시 필연적으로 이산화탄소가 발생된다. 이에 반해 BOG를 활용하여 메탄올을 생산하는 기술은 온실가스 저감 기술로 활용될 수 있다. 세계 메탄올 시장은 2022년 321억 달러로 평가되고 2023년부터 2030년 사이에 4.5%의 연평균 성장률로 높아져, 2030년에는 436억 8천만 달러에 이를 것으로 예상되어 주목받는 시장이다. 기존 메탄올 상용 공정은 메탄올 1톤 생산 시 0.55톤의 이산화탄소를 발생시키고, 열효율은 58% 내외로 알려져 있다. 연구팀이 확보한 기술은 메탄올 1톤 생산 시 0.35톤의 이산화탄소를 발생시키고, 열효율은 66% 수준이다. 즉 기존 기술에 비해 이산화탄소 발생은 36% 줄이고, 열효율은 14% 향상시킨 기술이다. 이번 기술에서는 합성가스 제조 시 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 활용함으로써 메탄의 25%를 이산화탄소로 대체하여 탄소의 효율성을 증가시켰다. 또한, 공정 중 사용되는 수증기량을 기존의 메탄 대비 3배 분량에서 메탄 대비 1.6배로 최소화하여 에너지 효율성을 향상시킨 저탄소·저에너지형 공정 기술이란 특징도 있다. 특히 메탄올 생성 과정에서 투입된 이산화탄소의 95% 이상이 사용되어 없어지는 높은 반응 이용률을 보여, 탄소 저감에 효과적인 공정 기술이다. 화학연을 비롯한 산업계는 2006년부터 2017년까지 약 10년간 공동연구를 통해 이산화탄소 이용률을 높이는 리포밍 촉매를 자체적으로 개발하고, 공정 최적화 등을 통해 저탄소·저에너지·고효율 메탄올 플랜트 기술을 확보하였다. 이번 메탄올 기술을 개발함으로써, 이산화탄소와 메탄 기반 메탄올 생산 분야에서 국내 기업의 경쟁력 강화를 지원할 수 있게 되었다. 1단계 연구(2006년∼2012년)에서는 화학연과 HD현대그룹이 이산화탄소 활용을 위한 공동연구를 통해서 이산화탄소와 메탄의 리포밍과 메탄올 합성 연구를 수행하였다. 당시 연구 환경은 온실가스 활용에 대한 관심이 높지 않았지만, 화학연과 HD현대그룹은 선제적으로 연구를 진행하여, 현재의 온실가스 활용 기술 개발을 일찍부터 완료하였다. 2단계(2012년∼2017년)에서는 HD현대오일뱅크㈜, ㈜에코프로HN과 협력하여 하루에 메탄올 10톤 생산 규모의 실증 연구를 진행했다. 대산에 위치한 HD현대오일뱅크㈜ 공장 내에 10톤/일 메탄올 실증 플랜트를 구축하고, 저탄소·저에너지형 공정 플랜트 운전 최적화를 완료하였다. 이후 운전 최적화를 통해서 1년에 100만 톤의 메탄올을 생산하는 상용 플랜트 설계 자료를 확보하였다.    [그림 2] HD현대오일뱅크㈜에 설치된 메탄올 실증 플랜트(10톤/일)HD현대오일뱅크(주) 대산 공장 내에 메탄올 플랜트(10톤/일) 실증 연구를 통해서 100만 톤/연 기본설계 패키지를 확보하였음    이번 기술이전을 계기로 ㈜가스엔텍과 화학연은 적극적인 협업을 통해 BOG 가스를 활용한 메탄올 생산 기술 경쟁력 강화에 노력할 것으로 전망된다. 후속 연구 과제를 통해서 선박 혹은 연안에서 BOG 기반 3~10만 톤/연 규모 메탄올 생산 플랜트 기본설계 패키지를 확보하여 상용 공장을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 화학연 이영국 원장은 “이산화탄소와 메탄을 활용한 메탄올 생산 기술은 온실가스를 저감시키고, 탄소 중립에 기여할 수 있는 연구”라며, “국내 기업이 기존 사업 분야를 넘어 온실가스 저감과 관련된 새로운 시장을 선도하는 데 이바지하길 기대한다”라고 말했다.이번 기술 개발은 한국화학연구원 기본사업과 HD 현대그룹의 산업계 수탁과제와 산업통상자원부 에너지기술개발 사업의 지원으로 수행됐다.   < 연구자 소개 > ○ 성명: 전기원 ○ 소속: 한국화학연구원 화학공정연구본부 수소C1가스연구센터○ 전화: 042-860-7671  ○ 이메일: kwjun@krict.re.kr     
편집부 2024-08-11
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화학연, 대면적 페로브스카이트 태양전지 세계 최고 효율 경신 및 상용화 박차

- 대면적 페로브스카이트 태양전지 셀 20.6% 국제공인 세계 최고 효율 인증 획득, 중국 보유 19.2% 기록 경신- 한국화학연구원, ㈜유니테스트 공동 개발 기술로써, 본 기술을 바탕으로 금년 내 양산화 추진 예정    탄소중립녹색성장위원회의 ‘2050 탄소중립 달성과 녹색성장 실현을 위한 국가 기본계획’, ‘2030년 NDC 온실가스 감축 40%’ 및 ‘2050 탄소배출 넷제로(Net-Zero)’ 달성을 위해 탄소중립 관련 기술 개발이 시급한 가운데, 국내 연구진이 중견기업과의 협업을 통해 중국이 보유하고 있던 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀 세계 최고 효율을 경신하였다. 한국화학연구원(원장 이영국)과 ㈜유니테스트(대표이사 김종현)는 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀(200㎠ 이상) 생산 기술을 공동으로 개발하여, 중국이 보유하던 대면적 셀 부문 세계 최고 효율인 19.2%를 경신한 20.6%의 국제 공인 인증 효율을 달성하였다.    본 기술을 개발한 에너지소재연구센터 연구팀    지난 5월 7일(화), 독일의 국제 공인 인증 기관인 ‘프라운호퍼’로부터 세계 최고 효율을 인증받았으며, 곧 미국재생에너지연구소(NREL*)의 ‘태양전지 최고 효율 차트’에 등재될 예정이다.* NREL: National Renewable Energy Laboratory, 매 분기별 태양전지 최고 효율을 기록한 연구기관을 발표    인증서(프라운호퍼) * 발행일: 5/7, 20245.7(화), 독일의 국제 공인 인증 기관인 ‘프라운호퍼’로부터 받은 세계 최고 효율 인증서, 한국화학연구원과 ㈜유니테스트 공동연구팀이 대면적 셀 부문 세계 최고 효율인 20.6%를 달성하였다.    20.6% 효율의 모듈 성능 지표 그래프* VOLTAGE: 전압, CURRENT: 전류, POWER: 전력    본 기술을 활용하여 화학연과 ㈜유니테스트는 본격적으로 페로브스카이트 태양전지 상용화를 추진할 예정이다. 특히 페로브스카이트 소재의 잠재력을 활용한 실내·창호용 제품, 기능성 응용 분야 제품 등의 양산을 준비 중이며, 일부 제품은 금년 내로 시장에 출시할 수 있을 것으로 전망된다. 페로브스카이트 태양전지는 기판 위에 용액을 코팅해 비교적 쉽고 저렴하게 대량 생산할 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 현재 페로브스카이트 태양전지 효율을 높여 상용화하기 위해 한국, 중국, 중동 등의 기술 개발 경쟁이 매우 치열하다.하지만, 대면적 셀의 이론적 한계 효율은 현실적인 손실 경로를 고려할 경우 대략 27% 수준으로 알려졌는데, 아직까지 20%를 넘는 기술은 없었다. 효율을 높이려면 소재 최적화 및 코팅 균일화, 그리고 레이저 공정 최적화 과정이 필수적인데, 대면적 소자의 다양한 요소를 최적화하는 과정이 쉽지 않기 때문이다. 향후 실리콘 태양전지의 한계를 극복하기 위해 꼭 필요한 페로브스카이트-실리콘 탠덤(다중 접합) 태양전지 개발에서도 고성능 소재 발굴 및 최적화, 대면적 균일 코팅 기술 개발은 필수적이다. 따라서 단일 접합 태양전지 대면적 셀의 고성능화가 결국 탠덤 태양전지 대면적 셀 및 모듈의 성능 향상을 이끌 수 있는 핵심 기술이다.     유니테스트 설비    이러한 가운데, 화학연 페로브스카이트 연구팀이 자체 소재 합성 최적화 및 코팅의 균일화 그리고 레이저 파워를 최적화하여 기존에 중국이 보유하던 19.2%의 대면적 인증 효율을 훨씬 뛰어넘는 20.6%의 공인 인증을 획득하였다. 특히 이번에 개발한 세계 최고 효율의 단일 접합 페로브스카이트 대면적 태양전지 제작기술은 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 대면적 공정에 직접 적용이 가능하므로, 이 분야의 조기 상용화를 위해서는 매우 중요한 핵심 기술이다. 화학연은 개발한 대면적 셀을 바탕으로 옥외 실증 테스트를 진행하는 등 기업 상용화에 실질적인 역할을 수행하고 있다. ㈜유니테스트는 본 기술을 토대로 그동안 추진하던 유리 창호형 페로브스카이트 태양전지 사업화와 더불어, 국내 유수의 자동차 생산업체와 함께 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지를 파노라믹 솔라루프에 장착하는 등 페로브스카이트 태양전지 상용화를 본격적으로 추진한다. 특히 금년 내에 실내용 페로브스카이트 태양전지 양산을 목표로 설비를 구축 중이다. 화학연 이영국 원장은 “이번 성과는 페로브스카이트 대면적 셀의 세계 최고 효율화를 이루어 상용화의 기술적 관문 중 매우 중요한 하나를 해결한 큰 성과로써, 본 기술을 바탕으로 태양전지 상용화에 기여하는 좋은 산·연 협력 모델이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 단계도약형탄소중립기술개발사업 그리고 산업통상자원부의 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었다.   < 연구자 소개 > ○ 성명: 전 남 중 ○ 소속: 한국화학연구원 화학소재연구본부 에너지소재연구센터○ 전화: 042-860-7394 / 010-3410-1220  ○ 이메일: njjeon@krict.re.kr ○ 성명: 김 영 윤 ○ 소속: 한국화학연구원 화학소재연구본부 에너지소재연구센터○ 전화: 042-860-7232 / 010-2943-3744  ○ 이메일: yykim@krict.re.kr   
편집부 2024-08-11