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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 데이터 분석 (부제: 사출성형 공정 그래프(Graph)에 대한 분석 및 이해)

편집부 2024-07-12

KIST, 에너지 저장능력 대폭 향상된 다재다능 섬유 개발

편집부 2024-06-24

화학연, 이산화탄소를 화학 원료로 전환하는 세계 최대 규모 CO2 활용 건식 개질 플랜트 완공

- CO2를 전환하여 석유화학 원료인 합성가스를 생산하는 연간 8천 톤 규모의 건식 개질 플랜트 완공- ㈜부흥산업사와 공동 기술개발, 탄소중립 시장 진출을 목표로 ’24년부터 CCU 제품 생산 계획 전 세계적으로 탈 탄소 움직임이 빠르게 진행되고 있으며, 탄소중립이 기후변화 문제를 넘어 국내 산업 경제를 위협하고 있는 상황에서, 국내 연구진이 이산화탄소(CO2)를 석유화학 원료인 합성가스(H2, CO)로 전환하는 기술의 실증화에 성공하였다. 한국화학연구원(원장 이영국) CO2에너지연구센터 장태선 박사 연구팀은 이산화탄소로부터 석유화학 플랫폼 화합물인 합성가스를 생산할 수 있는 핵심 실증 촉매 및 공정기술을 개발하였다. 본 기술을 이전받은 ㈜부흥산업사는 연간 8천 톤의 합성가스 생산이 가능한 세계 최대 규모 CO2 활용 건식 개질* 플랜트를 울산 산업단지 내에 구축 완료하였다.* 건식 개질 기술: 이산화탄소와 메탄을 반응시켜 합성가스를 제조하는 기술 울산 부흥산업사 공장 내 건식 개질 플랜트 건설(8,000톤/년 합성가스 생산) 한국화학연구원 장태선 박사(사진) 연구팀이 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 세계 최고 건식 개질 기술을 개발하여 (주)부흥산업사로 기술이전하였다. 이와 관련하여, 6월 5일(월) 오후 2시, ㈜부흥산업사 울산공장*에서 ‘CO2 활용 건식 개질 플랜트’ 완공식을 개최하였다. 본 행사에는 울산광역시 경제부시장, 한국화학연구원 원장, 울산항만공사 부사장, 한국동서발전(주) 탄소중립 실장, 미래기술융합원 원장 등 관계 기관 인사들이 참석하여, 플랜트 완공을 다 함께 축하하였다.* 주소: 울산광역시 남구 황성동 841-3 CO2 활용 건식 개질 플랜트 완공식에서 이영국 원장이 축사를 하고 있는 모습 CO2 활용 건식 개질 플랜트 완공식에서 참석자들이 테이프 커팅식을 하고 있는 모습 이번 연구 성과는 화학 분야 유일 정부출연연구기관인 화학연과 국내 CCU 전문기업인 ㈜부흥산업사와의 오랜 공동연구를 통해 이뤄낸 쾌거이며, 특히 소재에서부터 공정에 이르기까지 순수 국내 기술로 개발되었기에 더욱 의미가 있는 것으로 평가된다. 이번에 완공된 플랜트 운영을 통해 상용화를 위한 막바지 연구를 수행하고, ’24년부터는 CCU(Carbon Capture and Utilization, 탄소 포집 및 활용) 제품을 본격적으로 생산할 계획이다.수소와 일산화탄소로 이루어진 합성가스는 암모니아, 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학 원료의 필수적인 핵심 물질이다. 하지만 석유화학 산업에서 합성가스를 생산하고 있는 기존의 기술들은 모두 온실가스를 대량으로 배출하는 문제점이 있다. 따라서 기존 기술 대비 온실가스를 획기적으로 줄일 수 있는 ‘온실가스 감축형 합성가스 제조 기술’이 필요하다.이에 연구팀은 CO2를 합성가스로 제조하는 건식 개질 기술의 핵심 원천촉매 및 공정을 개발하여, 세계 최고의 온실가스 감축 효과를 보이는 합성가스 제조 기술을 확보하였다. 기존의 건식 개질 기술은 반응 중 탄소 입자 생성에 의한 촉매 비활성화로 인해 상용화가 어려워 지난 100여 년 동안 석유화학산업의 오랜 숙제로 남아있었는데, 연구팀은 탄소생성이 크게 억제된 세계 최고 수준의 실증 촉매 및 맞춤형 공정을 개발하였다.이를 통해, 약 1ton의 일산화탄소를 생산하면 약 1.053ton의 이산화탄소를 감축하게 되는 일거양득의 효과*를 얻을 수 있으며, 합성가스 제조 공정에 약 1만 시간가량을 적용할 수 있는 안정한 촉매를 확보하였다.* 본 연구팀 실험 결과를 반영한 ‘국내외 환경변화에 따른 CCS 정책 추진계획 수립 연구’보고서(에너지경제연구원, 국무조정실·과학기술정보통신부·산업통상자원부·해양수산부 연구용역사업 보고서, 2018.12) ㈜부흥산업사는 구축된 건식 개질 플랜트 운영 및 후속 연구를 통해서 촉매 효율을 높이고 공정을 최적화하여 기존 석유화학 유래 제품 대비 온실가스 감축 효과를 극대화하고 경제성을 확보할 계획이다. 그 외에도 제조된 합성가스를 활용하여 초산, 메탄올, 디메틸카보네이트를 제조하는 등 다양한 분야에 응용하기 위한 준비도 지속 진행 중에 있다.화학연 이영국 원장은 “이번 세계 최대 규모 CO2 활용 건식 개질 플랜트는 핵심 촉매와 공정개발 모두 국내 기술로 확보했다는 점에서 의의가 있으며, CCU 기술이 탄소중립 실현에 실질적으로 기여할 수 있음을 보여주는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다.”고 말했다.이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 산업통상자원부 에너지 기술개발사업 지원으로 수행됐다.

편집부 2023-08-21

서울대 공대 항공우주공학과 윤군진 교수팀, 고분자 전해질막 수명평가 신기술 개발

- 국제 저명 저널 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 표지논문 선정 서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 항공우주공학과 윤군진 교수팀(임형준 박사, 김건우 박사과정생)이 연료전지의 핵심 구성요소 중 하나인 고분자 전해질막의 수명을 평가하는 새로운 기법을 개발했다고 밝혔다.고분자 전해질막은 음극에서 해리된 수소이온이 양극으로 이동할 수 있는 통로 역할을 하며, 효과적으로 전류를 생성하는데 핵심적인 역할을 한다. 무엇보다 고분자 전해질막의 내구성은 전체 연료전지의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미친다. 하지만 고분자 전해질막의 기계적·화학적 열화 메커니즘은 복잡하며, 이를 동시에 정확하게 이해하고 평가하는 것은 어려운 과제로 여겨져 왔다. 왼쪽부터 윤군진 교수, 임형준 박사, 김건우 박사과정생 이번 연구에서는 고분자 전해질막의 화학적 열화 메커니즘을 정량적으로 분석하고, 화학적 분해로부터 발생하는 취성화 메커니즘을 실험적 관찰을 통해 새롭게 제안했다. 또한 화학적 열화 정도에 따른 외부 하중에 의한 파손패턴도 미소스케일 단위의 관찰을 통해 분석했다. 이를 통해 연료전지 가동 중에 발생하는 고분자 전해질막의 열화 및 거동을 실험적으로 관찰했으며, 연료전지의 전체 수명과 성능을 더욱 정확하게 예측할 수 있는 가능성을 제시했다.연구팀은 기계적·화학적 열화를 동시에 고려해 수명을 예측할 수 있는 전산모사를 이용한 평가법을 제시했다. 실제 실험을 통해 얻을 수 있는 정보를 정확하게 반영하면서 시간이 오래 소요되는 내구성 실험을 대체할 수 있는 새로운 방법론을 제공한다. 이를 통해 연료전지의 내구성과 성능을 평가하는 사이클을 간소화해 비용 및 시간을 혁신적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.윤군진 교수는 “이번 연구를 통해 연료전지의 핵심 구성요소인 고분자 전해질막의 수명과 성능을 실험적 관찰을 바탕으로 효율적으로 평가하고 예측하는 기법을 새롭게 개발할 수 있었다”며, “이는 연료전지의 안정성과 효율성을 더욱 높이는 데 중요한 기여를 할 것”이라고 말했다.한편 해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업과 BK21사업 및 서울대학교 연구본부 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 5월 14일 국제 저명 저널인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 표지논문으로 선정됐다.· 논문명: Durability and Performance Analysis of Polymer Electrolyte Membranes for Hydrogen Fuel Cells by a Coupled Chemo-mechanical Constitutive Model and Experimental Validation- 제1저자: 서울대학교 항공우주공학과 임형준 박사- 공저자: 서울대학교 항공우주공학과 김건우 박사과정생- 교신저자: 서울대학교 항공우주공학과 윤군진 교수 https://eng.snu.ac.kr/

편집부 2023-07-23

KIST, 서울 상공 ‘에어택시’ 등장 앞당길 신소재 개발

취재부 2023-06-11

KIST, 과산화수소 대량생산을 위한 고효율 탄소 촉매 개발

취재부 2023-06-11

최고 수준의 전기차 배터리 첨가제 기술 개발

- 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술 1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발이 필수적이다. 이에 높은 가역용량을 가지는 니켈리치 양극과 흑연보다 10배가량 높은 용량을 발현하는 실리콘 음극 물질이 차세대 리튬이온전지의 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 전해질 첨가제 연구는 기존 물질들의 스크리닝 기법을 통하여 시행착오를 거쳐 개발되기 때문에 시간과 비용이 많이 소모되어 신규 전극 소재에 대응하기 어려운 한계점을 보였다. KAIST 생명화학공학과 최남순 연구팀이 고려대 곽상규 교수팀, UNIST 홍성유 교수팀, 현대자동차, 한국화학연구원과 공동연구를 통해, 고용량 실리콘 기반 음극과 니켈리치 양극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극의 저온, 상온 및 고온에서의 가역성을 증대시켜 배터리 충‧방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다. 그림 1. 고용량 전극 계면을 보호하는 APFS 첨가제의 디자인 모식도 연구팀은 전해질 첨가제 설계 초기 단계부터 타겟으로 하는 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 조합하여 첨가제를 디자인하고 합성하는 데 성공하였다. 디자인된 전해질 첨가제는 전자 수용 및 전자 공여 그룹의 전기화학적 반응에 의해 고용량 실리콘 기반 음극 및 니켈 리치 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성해 전지의 상온 및 고온 수명을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다. 개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재밀도를 가진 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극을 사용하여 배터리의 저온, 상온 및 고온 장수명을 실현하였다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시하였다는 점에서 그 의미가 크다. 그림 2. APFS 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 실리콘 기반 음극니켈리치 양극 풀 셀의 화성 충‧방전 미분용량(dQdV) vs. 전압 그래프 이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 “개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극계면 층을 형성하여 전기차 구동 온도 45도에서 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 반복적인 300회 충‧방전 후에도 초기 용량의 72.5%를 발현 가능했으며, 이는 기존에 사용되고 있는 첨가제인 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 대비 각각 54%, 38% 향상된 수준이었다. 또한, 실리콘 음극 부피 변화에 따른 전지 열화를 억제하여 희박 전해질 조건에서도 효과가 있었다”라고 말했다.최남순 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들(VC, FEC)의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 물질 구조 디자인, 합성 및 계산화학을 통해 연구 시간 및 비용을 줄이고 타겟 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의미를 강조했다. 뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 저온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극계면 층을 형성하는 세계 최고 수준의 전해질 첨가제 기술로서 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 밝혔다. 그림 3. 전해액 첨가제 도입 유무에 따른 SiG-CNCM811 풀 셀 수명성능 그래프. 이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 남희범(現 현대자동차 연구원) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당하였다. UNIST 홍성유 교수와 김민평, 전민호(現 한국화학연구원 연구원) 연구원은 디자인된 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발하였다. 고려대학교 곽상규 교수와 이승민, 김형준 연구원은 계산화학 시뮬레이션을 통해 음극 및 양극에서의 전해질 첨가제의 계면 층 형성 과정을 이론적으로 규명하였다. 그림 4. (상단) VC와 APFS 첨가제가 공분해하여 형성하는 고분자 기반 SEI 성분인 벤젠-에테르 작용기는 SEI의 공간적 유연성 향상에 기여함. 한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 4월 4일 字로 온라인 공개됐다* 논문명: Elastic Interfacial Layer Enabled the High-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries via Utilization of Synthetic Fluorosulfate Additive. 이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.

편집부 2023-04-20

UNIST 정성균 연구팀, 황화물 전고체 전지용 유기물 코팅 소재 개발

- 전고체 전지 열화 거동 규명… Advanced Energy Materials 게재 UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 정성균 교수팀은 황화물계 고체전해질을 기반으로 전고체 전지 양극의 계면 안정성을 위한 유기물 코팅 소재를 개발했다. 황화물계 고체전해질은 액체 전해질처럼 높은 이온전도도와 기계적 변형성 및 낮은 중량 밀도로 인해 전고체 전지 산업 응용 분야에서 특히 유망한 소재이다. 하지만, 황화물계 고체전해질은 양극 계면에서 필요한 반응 이외의 반응이 고질적으로 나타나는 문제점을 가진다. 즉, 절연체의 성질이 나빠지는 열화 반응이나 충방전 과정에서 발생하는 부피 변화로 고체전해질 사이의 기계적 접촉 손실 등의 문제가 발생한다.따라서 전극-전해질 계면의 화학적·물리적 상태를 온전히 유지하는 것은 긴 수명을 가지는 전고체 전지를 구현하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나이다. 이를 해결하기 위해 산화물계 기반의 무기물 코팅 소재가 주로 사용됐다. 하지만, 기존의 산화물계 코팅 소재는 부서지기 쉽고 고온에서 제조해야 한다는 한계점이 존재한다. 유기 코팅층의 존재에 따른 양극 계면에서의 화학적-기계적 계면 열화 연구팀은 황화물 기반 전고체 전지의 화학 및 기계적 열화를 완화하기 위한 연구를 진행했다. 양극-고체전해질의 계면을 인공적으로 보호하기 위해 유기 전해질 첨가제를 코팅 소재로 도입했다. 기존 리튬이온전지에서 액체 전해질의 유기물 첨가제로 사용되던 이플루오로비스(옥살레이토) 인산염을 활용했다. 이를 활용한 양극-고체전해질 계면 층은 기존 산화물계 코팅 층에 비해 상온에서도 코팅층을 형성할 수 있다는 장점을 가지게 된다.또한 연구팀은 유기물 기반의 양극-고체전해질 계면 층이 고전압으로 충전될 때 발생되는 화학적 열화 속도를 늦추며, 낮은 구동 압력에서도 기계적 열화를 완화하는 데 도움을 준다는 것을 확인했다. 이를 통해 계면에서의 황산염 또는 황화염의 생성을 억제하는 등 화학적 안정성을 가지게 된다. 또한 개선된 양극-고체전해질 사이의 물리적 접촉은 전고체 전지가 높은 용량을 구현하는 데 도움을 주며, 장기간으로 구동시킬 수 있도록 안정성을 높여 수명이 긴 전고체 전지 제작의 가능성을 보여줬다.연구팀은 이번 연구를 확장시켜 황화물 기반 전고체 전지의 양극 계면 열화 반응에 대한 심층적인 분석을 진행했다. 이를 통해 화학적·물리적 열화 간의 상관관계와 열화의 발생 원인을 규명했다. 이번 연구는 일반적으로 사용되는 무기 산화물 물질을 넘어 황화물 기반 전고체 전지의 양극 코팅 물질을 설계하는 새로운 전망과 이해를 제시할 것으로 기대된다. 이번 연구를 진행한 연구진의 모습. 앞줄 왼쪽부터 2번째 이상표 연구원, 제1저자 박찬현 연구원, 정성균 교수. 뒷줄 오른쪽부터 3번째 이주호 연구원 정성균 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구는 기존 전고체 전지에서 고려되지 않았던 유기물 코팅 소재에 대한 탐색 가능성과 확장성을 제공했다”며, “또한 전고체 전지의 열화 거동에 대한 심층적인 이해를 제공한다”고 전했다.본 연구는 한국연구재단 산업통상자원부 기술 혁신 프로그램, 과학기술정보통신부‧한국연구재단 신진 연구사업, 국가과학기술연구회, 이차전지 전해질 생산 업체인 (주)천보의 지원으로 수행되었으며, 2023년 3월 9일 에너지 소재 분야 권위적 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.* 논문명: Organic-Additive-Derived Cathode Electrolyte Interphase Layer Mitigating Intertwined Chemical and Mechanical Degradation for Sulfide-Based Solid-State Batteries) 문의: 에너지화학공학과 정성균 교수_052-217-3030

편집부 2023-04-17