HANDLER

기술과 솔루션

news 기술과 솔루션

UNIST 조재필 특훈교수, 전기차 주행거리 늘리는 “고용량 장수명” 배터리 음극 소재 개발!

- 신개념 ‘실리콘 카바이드계’ 음극재 양산 합성 기술 개발- 부피팽창으로 인한 수명 저하 억제·에너지저장장치에도 응용… Nature Energy 표지 선정 전기차 주행거리를 대폭 늘릴 수 있게 됐다. 고용량 음극 소재 상용화의 걸림돌인 내구성 문제가 해결됐기 때문이다. 한 번 충전해 달리는 최대 거리는 탑재된 배터리 용량에 비례하는데, 이 음극 소재는 상용 흑연 소재 대비 최대 3배 이상 용량이 크다. 또 수백 회의 충전·방전 이후에도 소재가 손상되지 않는 등 내구성이 뛰어나다. 이번 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 학술지인 네이처 에너지(Nature Energy) 표지논문으로 선정돼 12월 13일 자(런던시간 오후 4시)로 공개됐다. 네이처 에너지 저널 표지 선정 UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀은 고용량 음극 소재인 실리콘 계열 소재의 내구성을 획기적으로 개선하는 합성기술을 개발했다. 이 기술로 합성된 음극 소재는 실리콘 입자 크기가 작고, 이를 둘러싼 실리콘 카바이드가 실리콘을 보호하는 역할을 해 내구성이 뛰어나다. UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀 실리콘은 리튬이온배터리에 널리 쓰이는 흑연 소재보다 이론적 용량이 10배나 크다. 문제는 내구성이다. 충·방전 때마다 실리콘 부피가 수배 이상(360%) 부풀어 오르는 것이다. 팽창과 수축을 반복하면서 구조적 손상이 발생하기 쉽다. 또 팽창 때 발생하는 가스에 의한 폭발위험도 있어, 현재 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재의 한계 함량은 5%(400mAh/g급) 정도로 알려져 있다.급격한 부피 변화를 막기 위해서는 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어야 하는데, 덩어리 실리콘을 잘게 부수는 등의 방식 등으로는 한계가 있다. 개발된 리튬이온전지 음극 소재의 합성 과정 조 교수팀의 합성법은 입자 크기를 1나노미터 이하(10억 분의 1미터)로 줄일 수 있다.비결은 기상 증착 과정 중 핵 성장 억제다. 음극재를 이루는 입자들은 씨앗 단계인 핵부터 핵에 원자들이 달라붙어 점점 커지는 성장 과정을 거쳐 하나의 입자(결정)로 완성된다. 이 때문에 핵은 많이 만들되, 핵 성장은 억제하면 입자를 작게 만들 수 있다.공동 교신저자인 에너지화학공학과 곽상규 교수팀은 양자역학 계산을 통해 이러한 핵 성장 억제 효과를 이론적으로 입증했다.실리콘 입자를 둘러싼 실리콘 카바이드는 내구성뿐만 아니라 배터리 용량도 높인다. 실리콘이 배터리 전해액과 반응하는 것을 막기 때문이다. 음극재가 전해액과 반응하면 배터리 용량이 준다. 기존에는 이를 막기 위해서 보호 구조체로 감싸는 별도의 공정이 필요했다. 각 음극 소재별 전지 수명 비교 음극 소재별 비교 합성된 음극재의 부피 팽창률을 측정했을 때 상용 흑연 소재와 유사한 15% 내외에 불과했다. 상용 흑연 소재는 충전 시 13% 정도 팽창한다. 또 상용 수준의 각형 셀(cell) 평가에서도 2,800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지했다. 이제껏 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상 충·방전 수명을 갖는 유의미한 실험 결과가 보고된 전례가 없었다.이러한 우수한 특성을 갖는 음극 소재는 전기자동차(EVs)뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템(ESS)에도 적용이 가능할 전망이다.이번 연구의 공동 1 저자인 성재경 박사는 “실리콘 입자(결정) 성장 과정에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 실리콘 음극재의 고질적인 문제들을 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 합성법을 개발할 수 있었다”라고 설명했다.또 연구진이 개발한 방식은 흑연 위에다 바로 실리콘 카바이드 합성이 가능해 흑연과 실리콘 카바이드 섞는 별도 공정이 필요 없다. 일반적으로 실리콘계 소재는 단독으로 쓰지 않고 전지 설계 등을 고려해 흑연과 섞어 쓴다. 실리콘 카이바드(SiCx) 단독 사용도 가능하다.조재필 특훈교수는 “실리콘 음극재 나노 입자를 만들기 위해 습식공정이나 기계적 파쇄 공정 등이 보편적으로 쓰였지만, 이는 원가 상승 문제뿐만 아니라 성능 개선에 한계가 있다”라며, “이번에 개발된 합성기술은 모든 공정이 건식 공정이라 대량 생산이 쉽고 생산비용 절감 효과도 있을 것”이라고 기대했다.

편집부 2022-01-10

UNIST 장지욱 교수팀, 햇빛 받아 친환경 과산화수소 만드는 고성능 광전극 개발

취재부 2022-01-10

기계연, 이산화탄소와 수소를 연료로 만드는 마이크로채널 반응기 개발

편집부 2021-12-19

KIST, 한계를 넘어 고온에서도 사용할 수 있는 탄소섬유 복합소재 기술개발

편집부 2021-12-19

그래핀의 특허통계 분석 및 산업 현황 보고서

Ⅰ. 그래핀 개요 및 응용개요그래핀(graphene)은 흑연을 뜻하는 graphite와 탄소이중결합을 가진 분자를 의미하는 –ene이 결합된 용어로서 탄소원자로 이루어진 벌집 모양(6각형) 구조를 가진 2차원(2D) 물질을 말한다. 흑연은 그래핀 층이 여러 겹 겹쳐있는 3D 소재로서 자연에서 얻을 수 있는 대표적인 탄소 소재로 탄력, 내구성, 복원력, 전기/열 전도성 등이 우수하여 테니스 라켓, 골프채 샤프트, 연필심, 내열성 도가니, 윤활제, 주형 등의 소재로 사용되어 왔다. 최근에는 리튬이온 배터리 전극으로 사용되어 산업적 중요성이 커지고 있다.2004년 영국 맨체스터대학의 Andre Geim과 Konstantin Novoselov가 연필심(흑연)에 스카치테이프로 붙였다 떼기를 반복하여 한 층의 그래핀을 분리 제조하는 기술을 발표하였고, 이들은 2010년 노벨 물리학상을 받았다. 발표된 후 매우 단기간에 노벨상이 수여되었다는 것은 그래핀의 중요성이 부각되었기 때문이다. 단일 층 그래핀은 0.34㎚로 매우 얇지만, 인장강도, 약 1 Tpa의 우수한 기계적 성질, 20%까지 연신이 가능한 유연성, 구리보다 우수한 전기전도도, 다이아몬드보다 우수한 등방성 열전도도, 매우 높은 투명성 및 화학적 안정성을 갖고 있다.그래핀 제조는 크게 2가지로 나누어진다. 그래파이트 입자를 층 분리(박리)하여 그래핀을 제조하는 방법(flake 방법)과 탄화수소 물질을 이용해 그래핀을 필름 형태로 합성, 제조하는 방법이 있다. Flake 방법은 그래파이트를 강산 등으로 처리하여 한 겹 또는 수 겹 층상 물질로 박리된 그래핀이 뭉쳐져 있는 flake를 만드는 것으로 전도성 잉크, 플라스틱 첨가제 등으로 활용이 연구되고 있다. 필름형은 얇은 구리박 등의 기판 위에 고온에서 탄화수소 가스를 화학 증착법(CVD) 법으로 반응, 성장시켜 필름 형태의 그래핀을 만들고, 구리 기판에서 다른 물체 위에 전사하여 활용하는 방법이다. 필름형 그래핀은 롤투롤(R2R) 방식으로 연속 생산이 가능하며, 투명전도성 전극 등으로 응용이 연구되고 있다.응용연구그래핀은 기존 탄소 소재와 달리 나노미터 단위 수준의 제어를 통하여 제조되는 소재로 광범위한 분야에 응용할 수 있다그래핀은 제조공정이 복잡하고 고순도 제품 생산이 어려웠으나 지난 10여 년간 제조 방법, 제조 장치, 분석 등에 대한 연구개발 결과, 최근 제조와 활용 면에서 큰 발전이 이루어지고 있다. 그래핀에 관련된 연구개발로는 제조공정개발, 응용 탐색, 제조 장비 개발이 주로 이루어지고 있다. 초기에는 그래핀의 분리, 물성 측정 등 기초연구에 주로 초점이 맞춰져 있었으나, 최근 연구개발 활동이 빠르게 확대되면서 고성능 투명전극, 메모리소자, 스핀소자, 고주파소자 등에 대한 응용연구가 이루어지고 있다. 현재 연구되고 있는 잠재적인 응용 분야는 다음과 같다.• batteries• transistors• computer chips• energy generation• supercapacitors• DNA sequencing• water filters• antennas• touchscreens (for LCD or OLED displays)• solar cells• Spintronics-related productsⅡ. 국내외 산업 동향국내 동향그래핀은 매우 우수한 특성으로 인해 “꿈의 신소재”로 알려져 있으며 대학, 산업, 정부의 관심이 매우 높아 외국은 물론 국내에서도 연구개발에 많은 투자가 이루어지고 있다. 포스코는 포항시-RIST-포스텍-그래핀 스퀘어와 업무협약을 체결하여 그래핀 생태계 조성을 주도하고 있다. 포항시는 그래핀 특구 조성, 소재 및 응용 기술 기업 유치를 담당하고 있으며, 포스텍은 그래핀 국제표준평가센터 구축 및 응용제품 분석지원, RIST는 그래핀 양산설비 구축 지원 및 공정개발, Graphene Square(서울대 홍병희 교수 창업)는 그래핀 양산체제 구축, 응용 기술개발, 대면적 R2R 연속 합성법을 개발하고 있다. 그래핀 제조 기업으로서 스탠다드그래핀사는 2006년도부터 그래핀 연구개발을 시작하였으며 비 산화 박리법으로 flake 형태의 그래핀을 생산하고 있다. 제품으로는 graphene oxide, reduced graphene oxide, super graphite가 있다. 케이비엘러먼트사도 비 산화 그래핀 소개 개발 및 양산 기술을 보유하고 있으며, 삼성디스플레이, LG디스플레이에 공급하고 있다. 자동차산업용 방열 소재와 슈퍼 커패시터 분야에 활용하기 위해 역량을 집중하고 있다.그래핀랩사는 2018년 세계 최초 CVD 이용 그래핀 사업화 및 필름 양산설비를 보유하고 있으며, CVD 법 및 플레이크 형태의 그래핀 생산에 관심을 갖고 있다. 최근에 한화에어로스페이스에서 그래핀 사업을 인수한 영국 Versarien와 협력관계를 맺었다. 참그래핀사는 CVD 법 R2R 그래핀 제조 장치와 제조공정을 개발하고 있다. 그래핀 제조 원가를 줄이기 위해 CVD 법의 주요 부재인 동박의 박막화를 추진하고 있으며, 독일 Schlenk사와 협력하여 극박인 6미크론 두께의 그래핀 전용 동박 생산을 계획하고 있다.한국화학연구원은 흑연을 전기화학적으로 박리하여 그래핀을 제조하는 공정을 개발하여 엘브스지켐텍사에 기술이전 하였다. 그래핀을 활용한 응용연구에도 삼성전자, 엘지전자 등의 대기업은 물론 여러 중소기업들이 관심을 갖고 있다. 이엔플러스사는 전기차/스마트폰용 배터리 전극용 도전재와 배터리 방열 커버, 스마트폰/TV용 방열 소재, 그래핀과 CNT로 구성된 복합도전재 액체 솔루션을 개발하고 있다.네오인프라사는 그래핀 나노입자를 골고루 분산시켜 혼합/배합하는 MEPPS 기술을 이용, 그래핀 마스터배치를 개발하여 섬유회사인 휴비스에 공급하고 있다. 휴비스는 이를 이용하여 그래핀 섬유를 상업생산하고 있다. 그래핀 함유 섬유는 화이트컬러 원사 생산이 가능하고 우수한 염색성 원단으로서 항균/항바이러스, 원적외선 방출, 정전기방지 기능을 가져 특수 작업복용 도전사로서 활용이 가능하다.엠씨케이테크사는 그래핀을 활용, 소변 내 Na, K 이온 농도를 측정할 수 있는 바이오 센서 개발을 하고 있다. 플로우테크사는 그래핀 전극의 내구성과 내식성을 이용하여 반도체 공정의 불산, 황산 누출을 감지할 수 있는 유해 물질 누액 센서를 개발하고 있다. 콘택트렌즈 전문업체인 인터로조사는 Graphene Square사와 협력하여 그래핀을 적용한 스마트콘택트렌즈 및 의료용 콘택트렌즈를 개발하고 있다.이외에도 그래핀은 시멘트, 이어폰(진동 막), 고탄성 신발 중창 폼을 장착한 하이킹화 등에 응용이 시도되고 있다.국외 동향단일 층의 그래핀 제조는 영국의 맨체스터대학에서 처음 보고되어 노벨상을 받았고, 영국에서 연구개발이 매우 활발하다. 영국 정부는 맨체스터대학에 National Graphene Institute(NGI)를 설치하여 그래핀 연구를 지원하고 있다. 이외에도 독일, 이탈리아 등 다수 유럽국가가 R&D 프로그램을 통해 그래핀 연구개발을 지원하고 있다. 이외에도 미국, 중국, 한국, 인도 등에서 활발히 연구되고 있다. 그래핀의 응용, 생산, 관심 기업(제조 기업, 응용개발기업, 장비 기업, 그래파이트 채굴기업, 기타 서비스 기업) 등에 대한 정보는 www.graphene-info.com/companies에 자세히 나와 있다.III. 특허통계 동향 및 분석1. 분석 범위 및 대상 건수2. 글로벌 특허 동향IP5(韓·美·日·中·EU) 특허청을 대상으로 출원·등록된 특허 건수를 시계열적으로 분석하여 글로벌 기술시장의 동향 (연구개발 현황 및 기술 성숙도 등)을 분석하고자 하였다. • IP5(韓·中·日·美·EU) 출원 건수는 총 11,743건으로 2009년 이후 급격히 증가하여 2016년 1,857건으로 가장 많이 출원한 것으로 나타났으며, IP5 등록 건수는 총 5,325건으로 2011년 이후 급격히 증가하여 2019년 959건으로 가장 많이 등록된 것으로 나타났다.• IP5 전체 특허 기술 성장단계는 출원인 수와 출원 건수가 모두 증가하는 성장단계로서, 모든 발행국에서도 출원인 수와 출원 건수가 모두 증가하는 성장단계인 것으로 나타났다.3. 국가별 IP 경쟁력출원인 국적을 기준으로 IP5 각 특허청에 출원·등록된 특허 건수를 분석하여, 글로벌 기술시장에서의 각 국가별(국적별) 경쟁력을 진단하였다.• CN 국적 출원인은 2008년부터 출원 활동을 보이고 있으며, 2016년에서 2018년 사이 매년 1,000건 이상 출원한 것으로 나타났다. KR 국적 출원인에 의한 출원 활동은 2011년 이후 증가하여 2014년 156건으로 가장 많이 출원한 이후 점차 감소하는 것으로 나타났다.• 2000~2019년 기준 IP5 전체 등록 건의 주요 출원인은 CAS, SEL, SAMSUNG, ZHEJIANG UNIV, NANOTEK 등의 순으로 나타났고, TOP10의 등록 건수는 총등록 건수의 19.3% 차지(1,029건/총 5,325건)하고 있으며, 중국과학원 CAS, 저장대학, OKTECH 등 중국의 대학, 기업이 외국보다는 중국 특허를 주로 등록하였다.• 등록 건 기준 KIPO의 TOP10에는 SAMSUNG, LG, KAIST, SUNGKYUNKWAN UNIV, KIST 등 우리 기업, 대학 및 연구소가 상위 10에 포함되어 있는 것으로 나타났다. SAMSUNG은 한국, 미국, 유럽 등에서 최상위권을 특허를 갖고 있다. • 출원인 구분에 따른 국내의 출원 점유율은 기업(47.6%) > 대학(31.2%) > 연구소(15.5%) > 개인(5.7%) 순으로, 등록 점유율은 기업(43.2%) > 대학(36.4%) > 연구소(18.3%) > 개인(2.1%) 순으로 나타났다.IV. 결론그래핀은 2004년 영국 맨체스터대학 연구진이 제조 방법과 구조를 보고한 단일 층(혹은 수 겹) 탄소계 신소재로서 기계적, 전기 및 열 전도성, 투명성, 내화학성 등이 매우 뛰어난 특성을 갖고 있다. 그래핀은 복합소재용 첨가제, 투명전극, 방열 소재 등의 소재로서 다양하게 연구되고 있다.그래핀의 제조는 크게 그래파이트를 박리하는 방법(Flake 법)과 탄화수소계 물질을 금속판 위에 CVD 법으로 반응시켜 박막 필름 형태(필름 법)로 만드는 방법이 사용되고 있다. 현재까지 경제성을 가진 양산 방법이 확립되어 있지 않으며 다 수의 기업들이 제조공정, 응용, 제조 장치 등에 관한 연구를 수행하고 있다. 제조 방법의 최적화, 결함/불순물의 저감, 구조의 정밀 분석 방법, 다양한 응용 분야 창출 노력이 요구되고 있다. 국내에서는 스탠다드그래핀, 그래핀스퀘어, 참그래핀 등 여러 벤처기업이 생산 및 응용 분야의 사업화를 추진하고 있다.특허 동향 분석으로는, 2010년대 이후 출원이 급격히 늘고 있으며, 중국의 대학, 기업들의 중국 내 활동이 매우 활발하다.IP5 전체 특허 기술 성장단계 분석 결과, 출원인 수와 출원 건 수가 모두 증가하는 성장단계이고, 모든 발행국에서도 출원인 수와 출원 건수가 모두 증가하는 성장단계인 것으로 나타났다.국내에서는 삼성, LG 등 대기업과 KAIST, 성균관대 등이 상위권의 특허를 보유하고 있다. 반면에 제조 및 응용 분야에서 연구개발을 활발히 하고 있는 중소기업의 지식재산권 확보 노력이 부족한 것으로 나타났다.

편집부 2021-12-16

스프루, 로케이트링의 역할과 이젝팅 기구의 종류

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근< 스프루(Sprue) System >▶ 금형 입구에 위치▶ 사출기 노즐 구멍으로부터 사출된 용융 수지를 런너에 보내는 역할▶ 스프루 및 노즐의 결합 상태① 스프루 구멍은 사출기의 노즐 구멍보다 커야 한다.② 사출기의 노즐 구멍과 스프루 구멍의 중심이 잘 맞아야 한다.③ 노즐 R보다 스프루 부싱의 R이 커야 한다.(R이 큼으로써 노즐이 스프루 부싱에 완전하게 밀착되어 수지의 외부 분출을 막는다.)④ 열처리하여 내마모성을 높인다.▶ 스프루, 스프루 부싱 및 노즐의 치수 결정① 스프루 부싱의 R은 사출기 노즐 선단보다 1㎜ 정도 크게 하는 것이 바람직함② 입구 직경은 사출기 노즐 구멍보다 0.5~1.0㎜ 정도 크게 가공한다.③ 스프루 길이는 금형의 고정측 두께와 관련, 가능한 한 짧게 하는 것이 바람직함④ 사출기의 스프루의 R 및 구멍의 직경은 작업하려는 사출기의 제원을 참고하여 적용함⑤ 스프루의 테이퍼는 보통 최소 2도를 하되 길이에 따라 2도~4도 정도로 한다.⑥ 다이렉트 게이트 타입의 경우 스프루의 치수 및 형대가 바로 다이렉트 게이트 치수이다.⑦ 스프루 부위는 사출 용액의 원활한 유동을 위해 표면을 랩핑한다.(랩핑 방향은 수지의 흐르는 방향으로 한다.)⑧ 스프루 부싱의 재료는 SM50C, STC5~STC7, SCM4 등을 사용한다.⑨ 열처리할 경우 경도는 Hrc 40 이상으로 한다.▶ 스프루 록크 핀① 사출 후 금형이 열릴 때 스프루가 제품과 함께 가동측에 붙은 상태로, 고정측에 확실히 이탈되도록 하기 위하여 사용② 갈퀴 형상이나 고정측 형판에 언더컷을 주어 스프루를 잡아당기게 한다.③ 스프루 록크 핀의 상단에 모인 재료는 콜드 슬러그웰 역할을 한다.▶ 로케이트 링(Locate Ring)로케이트 링(Locate Ring)은 금형의 상고정판(고정측) 중앙에 있는 카운터 보링 자리에 들어가며, 사출성형기의 노즐과 금형의 스프루 부싱의 중심을 맞추는 데 사용되는 부품으로 일명 센터링이라고도 한다. 사출성형기의 종류에 따라 지름이 100, 120, 150㎜ 등으로 나뉘며, 유럽 쪽에서는 간혹 가동측의 하고정판 쪽에도 설치하는 경우가 있다. 공차는 사출기보다 –0.2 정도 작게 관리하는 것이 좋다.▶ 런너 록 핀① 핀포인트 게이트 등에서 런너를 끌어당겨 성형품과 게이트를 분리시키는 역할을 한다.② 단이진 라운드 형상을 가장 많이 사용▶ 이젝팅 기구이젝팅(Ejecting) 이란?사출성형이 된 제품을 금형에서 원활하게 취출하기 위한 것을 총칭한다.① 밀 핀(Ejector pin)에 의한 방식밀 핀의 종류는 원형 또는 각형, 판 모양으로 되어 있다.② 슬리브 밀 핀 (Sleeve ejector pin)에 의한 방식중앙에 구멍이 있는 보스나 둥근 원통형의 성형품을 밀어내는 데 많이 사용▶ 스트리퍼 밀 판(Stripper plate)에 의한 방식① 제품을 밀어낼 때 측 벽에 큰 저항이 있는 상자 모양이나 원통 모양의 성형품 ② 크랙이나 백화 현상이 없고, 변형이 적은 것을 요구하는 성형품③ 이젝터 핀 자국이 남지 않아야 하는 성형품(투명 제품)※ 성형품의 파팅 면이 복잡한 경우, 스트리퍼 플레이트의 대응으로 (b)와 같은 링을 사용함▶ 공기압에 의한 밀어내기 방식(air ejection)장점① 밀판 등의 기구가 필요 없어 금형 구조가 간단하다.② 가동측이나 고정측 어느 것에도 쉽게 사용할 수 있음③ 금형이 열리고 있는 사이에 임의의 위치에서 밀어내기가 가능함④ 성형품과 코어 사이에 생기는 진공에 의한 문제를 해소해 준다.⑤ 성형품 임의의 위치에 공기 통로를 설치할 수 있다.⑥ 균일한 공기압력이 성형품 밑바닥 부분에 고르게 작용해야 변형을 일으키지 않음⑦ 배관이 간단, 압축공기가 새도 성형품이 더럽혀 지지 않고 작업상 위험도 없다.⑧ 금형의 냉각 작용도 겸할 수 있음단점① 성형품에 따라 사용 불가② 공기압력에 한계가 있어 밀착력이 강한 제품 사용 불가③ 공기의 누출이 있으면 이젝터 힘이 많이 감소하므로 주의해야 함④ 공기 배관과 공기 압축기가 필요함

편집부 2021-12-16

UNIST 에너지화학공학과 공동연구진, 신개념 해수전지 수소저장시스템 개발

- 알카리 금속 소모되는 기존 기술 한계 극복·스마트 수소 스테이션 등 적용… JACS 골드 게재 바닷물로 수소를 저장하는 기술이 개발됐다. 수소를 고압에서 압축하거나 저온 액화시키는 기존 저장기술과 달리 상온·상압에서 수소를 저장하고 추출할 수 있는 기술이다. 수소 시대를 앞당길 새로운 수소 저장기술로 주목받고 있다. UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 연구진들이 해수전지 기반 수소저장시스템을 개발했다. 해수의 염분 성분인 나트륨(소듐)과 물을 반응시켜 수소를 뽑아내는 시스템이다. 기존 알칼리 금속 수소저장기술은 한 번 반응한 금속의 재사용이 어려운 반면, 이 시스템은 해수전지가 지속적으로 나트륨을 ‘재생’(환원)시켜 사용, 가능하다. 수소를 생산·저장할 수 있는 1석 2조의 EES(에너지저장) 시스템이다.* 알칼리 금속: 주기율표 1족에 해당하는 원소. 나트륨(소듐), 리튬이 대표적이다. 해수전지 수소저장시스템 모식도온-사이트, 온-보드 수소 저장을 위한 해수전지 수소저장시스템이다. 본 시스템은 알칼리 금속을 음극으로, 집전장치를 양극으로 하되, NASICON(나트륨 이온만을 통과시키는 분리막)을 중심으로 분리되어 있다. 충전 시 해수전지 음극에서 나트륨 이온이 환원돼 나트륨 금속 형태로 저장되고, 방전 시 나트륨 금속이 나트륨 이온이 되면서 해수로 이동함과 동시에 양극에서 수소가 생성된다. 보라색 하늘색 연결선은 각각 전기 에너지와 수소가 해수전지 수소저장시스템에서 어떤 식으로 생성·운반되는지를 보여주는 인프라 구축 설계 선이다. 현행 수소 저장은 350~700기압(atm) 고압 압축이나 영하 253도의 초저온 액화를 기반으로 해 안전 문제와 더불어 에너지 비용이 많이 들다. 차세대 기술인 알칼리 금속 수소저장기술은 미국 에너지부(DoE)가 제시한 수소 저장체 기준(단위 무게, 부피당 수소 저장비 등)을 만족하지만, 화학 반응 중에 알칼리 금속이 지속적으로 소모된다는 문제가 있었다.개발된 시스템의 경우, 나트륨을 계속 재사용할 수 있다. 해수전지 충전 중에 알칼리 금속이 재생(나트륨 이온 환원)되고, 전기를 뽑아 쓰는 방전 중에 나트륨이 물과 반응하면서 수소가 추출되는 원리다.상용화 가능성도 입증했다. 실제 시스템 작동 환경처럼 산소에 노출된 환경에서 99.1%의 패러데이 효율을 보였으며, 해수전지 크기를 실험실 수준의 약 40배 이상(70㎠)으로 키운 시스템에서도 94.7%의 패러데이 효율을 기록했다.* 패러데이 효율: 총 사용된 전기 에너지 중 원하는 반응(본 연구는 수소)에 쓰인 전기 에너지의 비율이다. 한편, 해수전지는 바닷물 속 나트륨 이온을 산화·환원시켜 전기를 저장하고 뽑아 쓰는 장치다. 일반적인 이차전지(배터리)는 나트륨 대신 리튬을 쓴다.이번 연구는 에너지화학공학과 4개 그룹 연구진들의 집단 연구 결과물이다. 장지욱 교수(수소 생산·저장 전문), 강석주 교수(가스 분석 전문), 서동화 교수(이론 ·해석 전문), 그리고 김영식·황수민 교수(전지 전문가)가 공동으로 주도했다. 에너지화학공학과 판카즈 샤르마(Pankaj Sharma) UNIST 박사, 한진협 UNIST 박사, 박재현 UNIST 석박통합과정 대학원생, 김동연 UNIST 박사가 공동 1 저자로 참여하였다.장지욱 교수는 “무한한 자원인 바닷물을 이용하는 해수전지 시스템을 활용해 에너지 저장·수송과 수소 저장·생산이 동시에 가능한 신개념 수소저장기술을 선보였다”라며, “이 시스템은 수소 생산과 충전을 동시에 할 수 있는 스마트 스테이션 등 수소 생산·저장·운송이 필요한 다양한 분야에 활용할 수 있다”고 설명했다.울산시와 UNIST, 기후변화대응기초원천기술개발 과제 등의 지원을 받아 이뤄진 이번 연구 성과는 저명 국제 학술지인 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’에 11월 3일 자로 공개됐다.* 논문명: Alkali-Metal-Mediated Reversible Chemical Hydrogen Storage Using Seawater 자료문의: 에너지화학공학과: 장지욱 교수(052)217-3027

편집부 2021-12-13

중소기업 기계설계 고민 해결사 ‘스마트 DP’ 주목

- 기계연 40년 기계설계 노하우로 중소·중견기업 핵심 기계설비 설계 지원- 부품, 모듈, 장비설계까지 스마트 DP 하나면 다 된다! 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 40여 년의 기계설계 노하우를 담은 스마트 설계 플랫폼 ‘스마트 DP(Smart Design Platform)’로 중소·중견기업의 기계산업 경쟁력 강화를 지원하고 있어 눈길을 끈다.기계연 스마트산업기계연구실 이근호 책임연구원 연구팀은 기계연의 설계 노하우를 집약한 소프트웨어 프로그램인 스마트 DP를 개발하고, 국내 중소·중견기업의 기술 경쟁력 강화를 지원하고 있다.스마트 DP는 중소·중견기업이 기계산업 현장에서 필요로 하는 기어 트레인부터 체결부품, 분사 노즐, 레이저 가공 장비, 플라즈마 가공 장비, 가스 연소기, 전기 집진기까지 총 21종의 다양한 핵심 기계 부품을 가상으로 설계할 수 있는 소프트웨어다.스마트 DP 웹사이트*에서 회원에 가입하면 원하는 기업 누구나 프로그램을 활용할 수 있다. 기업은 프로그램에 원하는 사양을 입력하면, 최적화된 설계를 제공받을 수 있다. * http://www.kimm.re.kr/smartdp 스마트 DP 홈페이지 메인 화면 스마트 설계 소프트웨어의 개념 연구팀은 지난 2009년부터 스마트 DP의 시범운영을 시작한 이후, 2020년 정식 서비스를 출범하고 운영을 이어오고 있다. LS엠트론은 기어 트레인 설계 프로그램을 기술이전 받아 트랙터 변속장치 설계에 활용했으며, 진솔터보기계는 기어박스 설계에 스마트 DP를 활용하기도 했다. 이 밖에도 지금까지 국내 기업과 대학, 기관 등 36개 기관이 서비스를 이용하고 있다. 스마트 DP를 이용한 트랙터 변속기 설계 사례 스마트 DP 서비스를 활용하면 기계설비 분야의 전문 인력 부족으로 어려움을 겪어왔던 기업이나, 기존의 상용 소프트웨어 프로그램의 값비싼 이용료 부담에 선뜻 새로운 제품, 공정 개발에 나서지 못했던 중소·중견기업도 경쟁력 강화에 박차를 가할 수 있다.이근호 책임연구원은 “중소·중견기업이 스마트 DP를 활용해 기계장비 설계 기술 자립은 물론 제품 개발 주기를 단축하는 성과를 보이고 있다”며, “더 많은 기업이 스마트 DP를 활용한 예산 절감과 매출 극대화의 선순환으로 경쟁력을 키우는 데 도움이 되었으면 한다”고 말했다.한편 이번 연구는 국가과학기술연구회의 BIG 과제가 지원하는 ‘핵심 기계설비 스마트 설계 플랫폼 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행했다. 문의: 한국기계연구원 스마트산업기계연구실 이근호 책임연구원 042-868-7161 / 010-5424-7161 / ghlee762@kimm.re.kr

취재부 2021-12-07