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효율 35% 슈퍼 태양전지로 탄소중립 2050 앞당긴다! UNIST팀, 산업통상자원부 주관 알키미스트 프로젝트 최

- 탠덤기술(1+1)로 효율 35% 이상 태양전지 개발 도전… 5년간 100억 원 지원받아   연금술사라는 뜻의 ‘알키미스트’. UNIST 연구팀이 철로 금을 만들려 했던 연금술사들의 대담한 도전정신을 이어받아 산업계 난제 해결에 도전한다.   신소재공학과 최경진 교수를 단장으로 하는 UNIST 연구단이 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 최종 과제 수행자로 선정됐다. 향후 5년간 100억 원을 지원받아 효율이 35%에 이르는 슈퍼 태양전지 개발에 나섰다.   UNIST 연구팀이 지난 12월 8일 산업통상자원부 주관 알키미스트 프로젝트의 최종 수행기관으로 확정됐다. 서울대 등을 제치고 신재생에너지 부분 알키미스트 프로젝트 최종 과제 수행자로 선정돼 향후 5년간 100억 원을 지원받게 된다.연구팀은 효율 35%의 슈퍼 태양전지 개발에 도전한다. 상용 실리콘 태양전지의 이론 효율 한계인 30%를 훌쩍 넘는 이 전지 개발에는 탠덤기술이 쓰일 예정이다. 탠덤기술은 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 박막 태양전지를 결합하는 1+1 기술이다. 이를 위해 실리콘 태양전지 전문가인 최경진 교수, 페로브스카이트 태양전지 분야의 세계적 석학인 석상일 교수를 비롯한 UNIST 신소재공학과(송명훈 교수)와 에너지화학공학과 연구진(양창덕 교수)이 모였다.연구팀은 초고효율 슈퍼 태양전지 개발과 더불어 태양전지 상용화의 3대 조건(Golden Triangle)라 불리는 장기안정성과 가격경쟁력 향상을 위한 연구도 동시에 수행할 예정이다. 소재 기술, 대면적화 공정, 모듈화 요소 기술, 일체형 장비 개발 연구 등이다. KETI, KIST, ㈜주성엔지니어링, ㈜ENF테크놀러지와 같은 유수의 연구소, 기업들이 힘을 보탤 예정이다.사업단장을 맡은 UNIST 신소재공학과 최경진 교수는 “초고효율 슈퍼 태양전지는 기후 변화에 대응하고 탄소중립 시대를 앞당기는 효과적인 전략이 될 것”이라며, “중국의 저가공세 밀려 주도권을 빼앗긴 국내 태양광 산업에도 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다.UNIST 에너지화학공학과 석상일 교수는 “UNIST 연구진들은 지난 10년간 페로브스카이트 태양전지 분야의 세계적 선두그룹으로 자리매김했다”며, “그간 축적한 지식을 잘 활용한다면 35% 효율을 가지는 슈퍼 태양전지 개발은 매우 어렵지만 충분히 도전해볼 만하다”라고 말했다.한편, 2019년 시작된 알키미스트 프로젝트는 토너먼트형 기술개발 과제다. 1차 선정된 사업 예비 수행기관들의 성과를 종합 평가해 최종 과제 수행자를 선정하는 방식이다. 신재생 부문에 공모한 10개의 연구팀 중 UNIST, 서울대, 고려대 팀이 사업 예비 수행기관으로 선정됐으며, 지난 2년간 예비 연구를 수행했다.
편집부 2022-01-18
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새로운 기능으로 업그레이드된 HNP인터프라㈜의 소형에어제습기!

새로운 기능으로 업그레이드된 HNP인터프라㈜의 소형에어제습기!HNP인터프라㈜(대표이사 황선준, 이하 HNP인터프라)는 플라스틱 산업 분야의 최첨단 장비 및 솔루션을 제공하는 회사로서,  2001년 설립 후 축적된 노하우와 경험을 바탕으로 유럽과 일본의 파트너와 함께 국내 및 글로벌 현지 공장에 공급함으로써 국내  제조, 성형기술 산업 발전과 산업자동화에 이바지하고 있는 기업으로 평가받고 있습니다.특히, 플라스틱 토탈 설비 , 원료이송관리, 온도 제어 장치, 냉각 분야에서 40년 이상의 경험을 가진 설비라인을 제공하고 있는 동사는 30개 이상의 표준 온도 제어 장치 및 냉각기 모델을 보유하고 고객에게 맞춤형 솔루션 제공을 위해 힘쓰고 있습니다. ■ 완벽한 제습 효율로 생산성 안정화에 기여, HNP인터프라만의 소형에어제습기!완벽한 제습 효율은 생산성 안정화의 기본적인 요소로 꼽힙니다. HNP인터프라의 제습 건조 시스템은 소형부터 대형은 물론, 대용량의 PET 성형을 위한 장비까지 고루 갖추고 있습니다. 그 중에서도 HNP인터프라의 TX 시리즈 에어제습기는 혁신적인 OTX 호퍼 덕분에 스타일이 크게 바뀌었습니다. 광학 응용 분야 및 기술 사출 성형 전용인 이 제품은 성능을 높이고, 탁월한 에너지 효율에서 +66%의 조합을 실현합니다. 또한 고급 터치 스크린 제어, 적응형 공기 흐름 및 USB 포트를 통해 그 우수함을 인정받고 있으며, 특히, X DRY Air 미니 시리즈는 중앙통합관리 시스템 MOWIS가 장착되어 있습니다. <X DRY Air Mini Series > <XD TX Series>  HNP인터프라의 미니 드라이어(Mini Dryer) 제품군의 우수성은 의료, 광학 및 렌즈 애플리케이션 전용 XM 시리즈로 더욱 돋보이고 있습니다. 이 시리즈에서 호퍼 내부를 직접 볼 수 있도록 투명 호퍼를 적용해 깨끗한 디자인과 작고 효율적인 건조 장치를 제공하고 있습니다. <XD XM Series>  한편, HNP인터프라에서는 소량의 원재료를 제습하기 위해 고성능 소형 건조기 제품군에 허니콤 제습기 X COMB를 추가했습니다. X COMB 시리즈는 사용하시는 분들의 엄격한 산업 요구사항을 충족할 수 있도록 특별히 설계되었습니다.고효율 터보 압축기, 제올라이트 기술, 이슬점 이퀄라이저 및 OTX 호퍼 기술을 표준으로 사용하고 있습니다. <허니콤 제습기 X COMB Mini Dryers>  ■ 고객 가치 실현과 친환경 솔루션을 위해 최고의 서비스를 제공하는 HNP인터프라플라스틱, 화학, 식품, 섬유, 인쇄 및 제약과 같은 다양한 산업 분야의 다수의 기업과 파트너 쉽을 맺고, 30개 이상의 표준 온도 제어 장치 및 냉각기 모델 등을 제공하고 있는 HNP인터프라는 오늘도 해당 분야의 전문 지식과 풍부한 경험을 바탕으로 고객 제일주의의 자세를 실현하고 있습니다.당사만의 차별화된 혁신기술과 최고의 품질, 특별한 서비스를 고객분들께 제공하고자 최선을 다하는 HNP인터프라는 앞으로도 미래의 플라스틱 산업을 선도할 수 있도록 그 노력을 아끼지 않고자 합니다. ■ 문의: HNP인터프라㈜ 032-437-3155~6 http://www.gohnp.com
이명규기자 2022-01-14
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사출성형 금형 언더컷 처리 기구에 대하여

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근언더컷금형 열림 방향으로 밀어내기 작동만으로 성형품을 빼낼 수 없는 턱이나 오목한 부분1) 강제적 언더컷 처리< 스트리퍼 판을 이용 >PE, PP 등과 같이 탄성 높은 수지의 탄성을 이용하여 이형< 슬라이드 코어에 의한 언더컷의 처리 >금형의 측면을 구성하는 부분을 후진 또는 전진시킴으로 언더컷을 빼내는 방법- 종류: 앵귤러핀 / 도그레그캠 / 랙기어 / 공유압< 슬라이드 코어에 의한 언더컷의 처리 >< 슬라이드 코어에 의한 언더컷의 처리 >< 슬라이드 코어에 의한 언더컷의 처리 >< 슬라이드 코어에 의한 언더컷의 처리 >< 분할형에 의한 언더컷의 처리 >언더컷 처리를 고려하여 캐비티 형판을 분할한 금형에 사용되며, 주로 외부 언더컷의 경우에 사용된다.< 경사 핀(앵귤러 핀)에 의한 언더컷의 처리 >아래 그림에서 나타낸 바와 같이 금형의 개폐 운동에 따라서 경사 핀을 이용하여 사이드 코어, 사이드 캐비티를 전진, 후진시키는 방법을 말한다.< 경사 핀(앵귤러 핀)에 의한 언더컷의 처리 >틈새 C는 앵귤러 핀의 성형압력 경감에 형개 시 분할형의 지연 역할을 하며, 앵귤러 핀의 경사 각도는 일반적으로 분할형의 작동 거리에 따라 결정되고, 일반적으로 10~25도까지 사용한다. 또 앵귤러 핀 선단의 모따기 각도는 보통 앵귤러 핀의 경사 각도의 ±5도이며, 로킹 블록의 각도는 앵귤러 핀의 경사 각도보다 2~3도 크게 한다.< 스프링에 의한 언더컷의 처리 >스프링에 의한 사이드 코어나 분할형의 작동은 일반적으로 소형 금형에서 주로 사용되는데, 이때 스프링 힘에 의해 확실하게 사이드 코어나 분할형이 복귀되어야 한다.< 스프링에 의한 언더컷의 처리 >스프링은 내장식과 외장식이 있다. 어느 쪽이든 사이드 코어의 후진에만 스프링의 힘이 사용되고, 전진은 로킹부에 의해 이루어지므로 금형이 닫힘 상태에서는 로킹부에 사이드 코어 배면 경사부가 걸려 있어야 하며, 따라서 사이드 코어 후진을 한정하고 스토퍼가 설치되어야 한다.< 나사 언더컷의 처리 >2개의 랙에 의한 구조로 고정 형판에 고정되는 랙에 맞물리는 피니언과 그 위치에 맞물리는 가로 방향의 랙이 있다. 이 랙에 의해 회전되는 회전 코어 추의 피니언으로 이루어지고 직선 배열에 사용된다.랙과 베벨기어에 의한 구조로, 고정 형판에 고정되는 랙에 맞물리는 피니언과 동 축인 베벨기어와 2짝을 이루는 베벨기어와 동 축은 큰 기어가 있다. 이 큰 기어에 의해 회전되는 회전 코어의 피니언으로 이루어지고 원형배열에 사용된다.< 나사 언더컷의 처리 >유압실린더에 의해 구동되는 랙과 피니언 방식으로 구동되는 랙에 의해 회전 코어가 회전한다.
편집부 2022-01-11
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한국화학연구원, 철강 부생가스로부터 수소와 일산화탄소 뽑아내는 분리막 공정 기술이전

- 철강산업의 부생가스에서 수소, 일산화탄소 분리 회수하는 차세대 분리막 공정 기술이전- 상용화 시 경제적 효과 및 온실가스 저감 기여, 현재 실증 플랜트 공정기술 개발 중   활용도가 낮았던 철강산업 부생가스로부터 유용한 자원인 수소와 일산화탄소를 분리·정제하는 분리막* 공정이 국내 독자 기술로 개발돼 기술을 이전한다. 상용화 시 지금보다 저렴한 가격으로 수소와 일산화탄소를 생산하고 온실가스 감축에 기여할 것으로 기대된다.* 여러 기체가 혼합되어 있는 물질 중에, 원하는 기체만 선택적으로 분리할 수 있는 막 소재를 가지고, 막을 직병렬로 다단으로 연결하여 원하는 기체의 순도 및 회수율을 높이는 정제기술   한국화학연구원(원장 이미혜)은 단일가스켐(주)(대표 장세훈)과 지난 12월 21일, 화학연 중회의실에서 철강 부생가스 속 수소와 일산화탄소를 고순도로 회수하는 분리막 공정 기술이전 협약식을 열었다. 이날 행사에는 화학연 이미혜 원장, 단일가스켐(주) 장세훈 대표 등 관계자 6명이 참석했다.   (좌부터) 단일가스켐(주) 신재욱 연구소장, 장세훈 대표, 한국화학연구원 이미혜 원장, 김정훈 박사, 전기원 단장, 황영규 본부장   철강산업에서 나오는 부생가스는 국내 연간 8천만 톤으로 추정된다*. 부생가스에는 수소, 일산화탄소 등이 섞여 있어 이를 분리·정제하면 고부가가치 자원으로 활용될 수 있음에도 불구하고 현재 부생가스 대부분이 발전 연료로만 사용되고 있다. 발전 효율은 약 38%대로 낮으며 그 과정에서 3천만 톤 이상의 이산화탄소가 발생한다. * 출처: 산업통상자원부 에너지관리공단 부생가스 발생 및 이용현황보고서(2015)   부생가스로부터 수소와 일산화탄소를 분리·정제하는 기술은 난이도가 높아 국내에는 독자 기술이 없다. 미국, 중국 등 일부 국가에서만 흡착법(PSA*) 공정을 상용화해 독점적으로 운영하고 있으며, 우리나라에서도 일부 기업에서 해외 흡착법 상용 공정을 수입해 소규모 플랜트를 시범운영하고 있는 상황이다. 그러나 기존 흡착법은 고압에서 운전되며 가스 회수율이 낮아서 플랜트 제작·운영 비용 및 에너지가 많이 드는 단점을 가지고 있다. * Pressure Swing Adsorption   화학공정연구본부 김정훈 박사팀은 기존 상용 흡착법 기술의 문제점을 해결하기 위해, 철강 부생가스로부터 수소와 일산화탄소를 회수하는 분리막 기술을 세계 최초로 개발했다. 연구팀은 95% 이상의 고순도 수소를 95% 이상 회수하고, 99% 이상의 고순도 일산화탄소를 90% 이상 회수하는 분리막 원천기술을 각각 개발했다. 개발된 분리막 공정은 상용 흡착법에 비해 공정이 간단하면서도 회수율이 높아 적은 비용과 낮은 에너지로도 운영될 수 있다*.* 회수율: 투입된 원료 대비 최종 생성물/고순도: 총 물질 중 주성분인 순물질이 차지하는 비율이 높음.   수소 회수 막 분리 미니 파일럿   개발 기술을 활용해 국내 철강 부생가스에서 수소와 일산화탄소를 회수할 경우 경제적 효과가 크다. 수소를 회수할 경우 현재 수소 제조 가격의 약 60% 가격으로 수소를 얻을 수 있고*, 일산화탄소 회수시 현재 일산화탄소 시장 가격의 약 66% 가격으로 일산화탄소를 얻을 수 있다**. * 개발된 수소 분리막 공정 원천기술을 스케일 업한 상용 플랜트 10,000Nm3/h설계를 바탕으로 경제성 분석 결과 부생가스의 일종인 코크스로 가스(COG)의 H2를 회수할 시 1kg당 회수단가는 1,876원으로 현재 수소 제조가격 3,000원과 비교해 경제성이 우수하다. ** 개발된 일산화탄소 분리막 공정 원천기술을 스케일 업한 10,000Nm3/h 상용 플랜트를 바탕으로 경제성 평가 결과 부생가스의 일종인 전로가스(LDG)로부터 일산화탄소(CO) 회수의 경우 CO 1Nm3당 회수단가가 331.7원으로 현재의 CO 시장가격 500원과 비교해 경제성이 우수하다.   일산화탄소 회수 막 분리 미니 파일럿   또한 본 공정을 활용하면, 기존 천연가스·석유화학 촉매 공정으로 생산하는 수소와 일산화탄소 일부를 대체할 수 있어 기존 석유화학산업 공정으로부터 발생하는 이산화탄소를 감축할 수 있다. 구체적으로는 부생가스로부터 수소 1톤 생산 시 2.46톤의 이산화탄소를, 일산화탄소 1톤 생산 시 2.21톤의 이산화탄소를 감축할 수 있다. 2030년 이후 각각 10만 톤을 생산할 경우 이산화탄소 감축량은 매년 약 66.7만 톤으로 예상된다. 연구팀은 본 기술 관련 국내외 특허 출원 및 등록을 10건 완료했으며, 세계 최고 수준의 분리막 분야 SCI 논문인 J. Membrane Science와 Polymer J. 등에 4편 이상 게재했다.현재 화학연 연구팀과 기술이전 기업 단일가스켐(주)는 수소 회수 분리막 공정 원천기술을 토대로 상용화 전 단계인 스케일 업 실증 플랜트 기술을 공동 개발하고 있다. 향후 일산화탄소 분리막 파일럿 공정 실증 기술도 개발 추진할 예정이다. 연구책임자 김정훈 박사는 “스케일 업 실증화가 향후 상용화로 연결되면 전 세계 철강회사에 수출할 수 있는 기회가 열릴 수 있다. 전 세계 부생가스 속 수소와 일산화탄소를 자원화하면 수소경제 활성화 등 경제적 효과를 창출할 수 있다. 더불어 국내외 철강산업의 온실가스 감축과 탄소중립에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구성과는 과학기술정보통신부 차세대 탄소자원화 사업(단장 전기원)의 지원을 받아 수행되었다.   문의: 차세대탄소자원화연구단 전기원 단장(042-860-7671, 010-3464-3520) 김정훈 책임연구원(042-860-7513, 010-9822-4388)  
편집부 2022-01-10
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UNIST·난양공대 연구진, 청바지 염료 코팅으로 배터리 내구성 향상 기술 개발

- 배터리 분리막에 청바지 염료 코팅해 배터리 용량 저하 등 막아- 염료가 용량·수명 줄이고, 화재 발생위험 높이는 부반응 억제… Nano Letters 게재   청바지 염료로 더 오래가고 안전한 대용량 배터리를 만드는 기술이 개발됐다.   이현욱 교수팀은 UNIST 이동욱 교수, 난양공대 이석우 교수팀과 공동으로 청바지 염료를 배터리 분리막에 코팅해 부반응을 잡는 기술을 개발했다. 청바지 염료인 프러시안 블루 양극에서 녹아 나온 전이 금속 이온을 포집해 전이 금속이 이온이 음극으로 넘어가는 것을 막는 원리다. 음극으로 흘러간 전이 금속 이온은 배터리 용량과 안전성을 떨어뜨리는 다양한 부반응의 원인이다.   UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 프러시안 블루 염료를 배터리 분리막에 코팅해 배터리 수명과 안전성을 확보하는 기술을 개발했다. 분리막에 코팅된 염료가 양극에서 녹아 나온 전이 금속 이온을 포집해 이 이온이 음극 쪽으로 흘러 들어가는 것을 막는 기술이다. 전이 금속 이온이 분리막을 그대로 통과하게 되면 배터리 전해액이 고갈되고, 음극 표면에 원치 않는 물질이 끼는 것과 같은 부반응이 잘 일어나 배터리 용량이 줄고 화재 위험이 커진다.* 분리막: 배터리 음극과 양극을 분리하는 막. 전해액, 양극, 음극과 더불어 배터리 4대 구성요소다. 액체 상태 전해질에 담가져 있다. 음극과 양극을 분리하고 리튬이온은 통과시키는 역할을 한다.   싱가포르 난양공과대학교 이석우 교수, UNIST 에너지화학공학과 이동욱 교수가 함께한 이번 연구 결과는 나노소재 전문 학술지인 나노 레터스(Nano Letters)에 12월 13일 자로 게재됐다.대용량 배터리 소재인 하이니켈 양극 소재(니켈 고함량 소재, NCM)는 니켈을 비롯한 전이 금속이 양극 밖으로 녹아 나오는 용출 현상이 잘 일어난다. 용출된 이온이 음극으로 넘어가게 되면 다양한 배터리 부반응의 기폭제가 된다. 금속 이온이 음극에 달라붙어 전기 저항이 큰 얇은 막을 만들고, 전해액을 고갈시키는 부반응이 대표적이다. 전해액이 고갈되면 배터리 용량이 줄어드는 문제가 있다. 또 음극 표면에 생긴 이 얇은 막은 전지 단락과 화재의 원인인 리튬 수지상(전극 표면에 뾰족뾰족한 형태로 자라난 리튬 결정) 형성을 촉진한다.   기존의 분리막을 쓴 경우와 프러시안 블루 코팅 분리막을 쓴 경우 배터리 내부 반응 비교기존의 분리막의 경우 전이 금속 이온이 흑연 전극 쪽으로 넘어가면서 두꺼운 SEI 층을 형성하고, 리튬 수지상 형성을 촉진한다. 리튬 수지상이 분리막을 뚫게 되면 단락이 발생한다. 그에 반해 프러시안 블루 코팅 분리막은 전이 금속 이온의 이동을 차단하여 고르고 얇은 SEI 층을 형성한다. SEI(solid electrolyte interphase) 층이 얇고 고르게 생길 때는 전해액이 전극과 직접 반응하는 것을 막는 보호막을 역할을 한다.   연구진은 이 문제 해결을 위해 분리막으로 전이 금속 이온을 포집하는 새로운 접근법을 시도했다. 프러시안 블루가 다양한 이온을 수용할 수 있는 구조적 특성이 있다는 점에서 착안했다.프러시안 블루를 코팅한 분리막을 쓴 고용량 배터리와 일반 고용량 배터리를 비교 실험해 이 같은 효과를 입증했다. 프러시안 블루로 코팅된 분리막을 쓴 경우 일반 분리막을 쓴 배터리보다 최종 용량이 30.2% 더 높았다. 배터리 용량 감소를 막은 것이다. 또 코팅 분리막을 쓴 경우 배터리 흑연 음극 표면에서 니켈이 거의 관찰되지 않은 반면, 일반 분리막을 쓴 배터리의 흑연 음극에서는 다량의 니켈이 검출됐다.   배터리(음극은 흑연, 양극으로 NCM 소재 사용)의 성능 비교평가와 음극(흑연) 표면 비교분리막의 전이 금속 차단 기능 확인을 위해 높은 구동 전압(4.6V)에서 충·방전 실험을 했다. 구동 전압이 높으면 양극재의 전이 금속 용출이 가속화된다. 기존의 분리막을 사용한 전지의 경우 첫 충·방전에서 용량이 적을 뿐만 아니라, 지속적인 부반응으로 인해 쿨롱효율이 불안정하며 전지의 용량이 빠르게 감소한다. 반면 프러시안 블루 코팅 분리막을 사용한 경우 안정적인 충·방전효율(쿨롱효율)과 느린 전지 용량 감소를 확인했다. 또한, 높은 전압을 가해 전이 금속 용출을 유도한 후 흑연 음극 표면을 비행시간형 이차이온 질량분석(TOF-SIMS)장비로 분석한 결과, 기존의 분리막의 경우 다량의 니켈이 있으나, 프러시안 블루 코팅 분리막의 경우에는 니켈이 거의 존재하지 않았다.   한편, 프러시안 블루를 코팅하면 분리막의 전해액 친화성이 크게 향상돼 전지 저항이 줄어드는 효과도 있다. 또 코팅된 분리막은 기존 분리막 대비 3배 이상 더 많은 전해액을 머금을 수 있어 전해액 소모에 따른 수명 저하를 추가적으로 완화할 수 있다.코팅법도 간단하다. 복잡하고 비싼 공정이 필요한 세라믹 코팅과 달리 용액에 담그고 꺼내는 방법으로 나노미터(10억 분의 1미터) 수준의 얇은 프러시안 블루 막을 코팅할 수 있다.제1 저자인 박창현 연구원(에너지공학과 박사과정)은 “간단한 분리막 코팅기술로 전이 금속 용출에 의한 여러 부반응을 해결하고 배터리의 안정성을 크게 향상시켰다”라며, “대용량 에너지저장장치에 대한 수요가 느는 만큼 다양한 형태의 배터리에 응용 가능할 것”이라고 설명했다.이 연구는 UNIST 사업화유망원천기술개발사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업, 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행되었다.* 논문명: Prussian Blue Nanolayer-Embedded Separator for Selective Segregation of Nickel Dissolution in High Nickel Cathodes   문의: 에너지화학공학과: 이현욱 교수 (052)217-2593  
편집부 2022-01-10
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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
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UNIST 장지욱 교수팀, 햇빛 받아 친환경 과산화수소 만드는 고성능 광전극 개발

- 물 접촉 차단해 페로브스카이트 기반 광전극 불안정성 대폭 개선 - 태양광 과산화수소 전환 효율 세계 최고 기록·다양한 인공광합성 응용… Nat. Commun. 게재   광전극에 햇빛을 쪼여 과산화수소를 생산하는 기술이 새롭게 개발됐다. 햇빛 받은 식물잎이 광합성을 하듯 광전극이 과산화수소를 합성하는 기술로서, 복잡한 화학 공정을 대신해 친환경적으로 과산화수소를 생산할 수 있는 기술로 주목받고 있다.   장지욱 교수팀은 페로브스카이트 기반 과산화수소 생산 광전극 시스템을 개발했다. 태양에너지를 받아 물속에서 환원된 산소가 물과 반응해 과산화수소(H2O2)가 되는 원리다. 광전극 표면에서 이러한 반응이 일어난다.   UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장지욱 교수팀은 페로브스카이트 기반 과산화수소 생산 광전극 시스템을 개발했다. 태양에너지를 받아 물속에서 환원된 산소가 물과 반응해 과산화수소(H2O2)가 되는 원리다. 광전극 표면에서 이러한 반응이 일어난다. 이 시스템은 세계 최고의 태양광 과산화수소 전환 효율을 기록했을 뿐만 아니라 물에 약한 페로브스카이트를 썼음에도 내구성이 좋다.공업 원료인 과산화수소는 수소를 대체할 친환경 에너지 자원으로도 꼽힌다. 농도(무게 기준) 60%의 과산화수소수는 압축된 수소(350기압 압축)보다 단위부피 당 낼 수 있는 에너지가 크고, 액상이라 저장과 수송에 유리하기 때문이다. 그러나 현재 과산화수소를 대량 합성하는 공정은 복잡하고 귀금속과 유기물질을 사용해 비용 문제와 더불어 안전 문제가 있다.대안으로 인공광합성 기술의 하나인 광전극 과산화수소 생산방법이 주목받고 있지만, 광 흡수 성능이 뛰어나면서도 오래 쓸 수 있는 광전극 개발에 어려움이 있었다.   페로브스카이트 광전극 기반 과산화수소 생산 시스템   장 교수팀은 페로브스카이트를 물로부터 보호할 수 있는 금속을 이용해 성능과 내구성을 갖춘 광전극 시스템을 개발했다. 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만드는 장점이 있지만, 물에 쉽게 분해된다. 이를 해결하기 위해 액체 상태의 금속(필즈금속)으로 페로브스카이트, 시트 형태 산소 환원 촉매 등을 같이 둘러싼 뒤 이를 다시 굳히는 방식으로 광전극을 만들었다. 철 등을 비롯한 여타 금속이 수백도 이상의 고온에서 녹는 것과 달리 필즈금속은 녹는 온도가 63도로 매우 낮아 이러한 설계가 가능하다.이 금속은 페로브스카이트가 물과 직접적으로 접촉하는 것을 막는 동시에 페로브스카이트와 산소 환원 촉매 사이를 단단하게 고정하는 역할을 한다. 또 본래 전기(전하)가 잘 통하는 금속의 특성으로 인해 페로브스카이트가 빛을 받아 만든 전하가 전극 표면에 노출된 산소 환원 촉매에 잘 전달된다.연구팀이 개발한 광전극 시스템은 외부 전압 도움 없이 자발적으로 과산화수소 생산 반응을 할 수 있다. 광전극과 전압 균형을 맞추기 위해 물 산화 촉매를 산소 환원 촉매와 함께 사용했기 때문이다.태양광을 과산화수소로 바꾸는 효율도 최대 1.46%를 기록했다. 이는 자연 광합성의 일반적 효율인 1%를 넘어선 최고 기록이다.또 시스템 내의 산소 환원 촉매를 질소 환원 촉매나 이산화탄소 환원 촉매로 바꾸면 암모니아를 포함한 다양한 고부가가치 물질 생산에도 쓸 수 있다.장지욱 교수는 “성능이 뛰어나지만, 물에 취약한 페로브스카이트 기반 광촉매의 불안정성을 대폭 개선했다”며, “개발한 기술은 과산화수소를 비롯한 암모니아, 수소 등 다양한 친환경 연료를 만드는 인공광합성 기술에 활용할 수 있다”고 설명했다.이번 연구성과는 저명 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 11월 17일 자로 공개됐다. 라쉬미 메흐로트라(Rashmi Mehrotra) UNIST 석박통합과정 대학원생, 오동락 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1 저자로 참여하였다. 연구 수행은 나노·미래소재원천기술개발 과제와 신진연구과제 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
취재부 2022-01-10
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기계연, 이산화탄소와 수소를 연료로 만드는 마이크로채널 반응기 개발

- 탄소 자원화를 통한 탄소중립 기여 기술   최근 정부의 2050 탄소중립 달성 추진에 따라 이산화탄소를 포집하고 활용하는 CCUS1) 기술이 주목받는 가운데 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 이산화탄소를 친환경 합성연료(e-Fuel)2)로 바꾸는 마이크로채널 반응기3) 개발에 성공했다. Carbon Capture, Utilization and Storage(탄소 포집 및 활용·저장 기술), 대기나 배출가스 등에 포함된 이산화탄소를 포집하여 저장하거나 산업적인 용도로 사용하는 기술 신재생 전력을 이용해 만든 수소를 기반으로 만든 액체연료 가스 등의 반응물을 넣고 특정한 온도, 압력, 촉매 등의 환경을 만들어주어 원하는 화학반응이 일어나도록 하는 장치   화석연료 사용으로 발생하는 이산화탄소 문제를 해결하고, 신재생에너지의 잉여전력도 활용할 수 있는 친환경 탄소중립 기술이 될 것으로 기대된다.기계연 에너지기계연구본부 열시스템연구실 윤석호 실장 연구팀은 이산화탄소와 신재생에너지 발전 잉여전력으로 만든 수소를 반응시켜 합성연료를 만드는 마이크로채널 반응기를 개발했다. 이번에 개발한 반응기는 1일 30㎏ 수준의 이산화탄소를 처리해 합성연료로 만들 수 있다.   마이크로채널 반응기 시작품 (왼쪽) 한국기계연구원 에너지기계연구본부 열 시스템 연구실 윤석호 실장 연구팀이 개발한 마이크로채널 반응기 시작품. 반응기 연결관으로 이산화탄소와 수소가 주입되어 반응기 내의 마이크로채널로 흐르게 되며 다른 연결관으로 합성연료가 생성되어 나온다. (오른쪽) 한국기계연구원 에너지기계연구본부 열 시스템 연구실 윤석호 실장 연구팀이 마이크로채널 반응기로 이산화탄소와 수소를 반응시켜 얻은 합성연료   연구팀은 마이크로채널의 설계 및 접합 등 제작에 필요한 기술과 반응 촉매 코팅 기술 등의 원천 기술을 확보하고, 기존 반응기 대비 1/5 크기의 반응기를 만드는 데 성공했다. 이렇게 만든 합성연료는 차량, 선박의 연료로 쓸 수 있으며 대용량으로 저장해 필요할 때 쓸 수 있다.마이크로채널 반응기는 촉매와 반응을 일으키는 반응 층과 열을 전달하는 열교환 층이 교차로 쌓인 반응 장치다. 연구팀은 이 장치의 반응 층에 머리카락 열 가닥 정도 두께의 채널을 만들고, 채널 내부를 촉매로 코팅해 효율을 극대화시켰다. 이 반응기 내부를 이산화탄소와 수소가 통과하면서 촉매가 코팅된 채널과 반응을 일으켜 합성연료를 생산하게 된다.   마이크로채널 반응기를 적용한 모듈형 마이크로 플랜트 3D 이미지   이 반응기는 작은 용량에도 불구하고 효율이 뛰어나기 때문에 대형 플랜트가 아니더라도 탄소 전환 공정이 필요한 곳이라면 어디든 소규모 탄소 전환 시스템을 구축할 수 있다. 최근 주목받고 있는 분산형 재생에너지 시스템에도 적합하다.특히 신재생에너지 발전시스템이나 선박 등 이산화탄소 배출원에 밀접하게 설치할 수 있어 이산화탄소를 운송하는데 드는 추가 비용 없이 청정 합성연료를 생산할 수 있다는 점도 장점이다.열 시스템 연구실 윤석호 실장은 “마이크로채널 반응기는 기존 반응기보다 효율이 뛰어나 경제적이고, 규모를 줄일 수 있다는 것이 큰 장점”이라며, “향후 10㎾급의 이산화탄소 연료전환 공정을 개발하여 2050 탄소중립 달성에 기여하겠다”고 말했다.한편 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘Power to Fuel 시스템용 마이크로채널 반응기 개발’ 과제의 지원을 받아서 수행됐다.   문의: 한국기계연구원 에너지기계연구본부 열 시스템 연구실 윤석호 실장 042-868-7064 / 010-4155-2027 / shyoon@kimm.re.kr
편집부 2021-12-19