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KIST, 에너지 저장능력 대폭 향상된 다재다능 섬유 개발

- 웨어러블 기기에 최적화된 비정형 에너지 저장장치 기초섬유 기술 개발- 활성물질 추가 공정 불필요, 습식방사로 대량생산 가능  삼성 갤럭시 링과 애플의 비전 프로 같은 최신 웨어러블 기기들은 건강관리에서 한 걸음 더 나아가 가상공간에서의 업무수행까지 가능하게 하는 수준에 다다르고 있다. 그런데 작고 가벼워야 하는 웨어러블 기기의 특성상 배터리 용량이 제한될 수밖에 없어 여전히 다양한 기능을 탑재하기에는 기술적 한계가 있다. 웨어러블 기기가 상상 속 삶을 완벽히 구현하려면 더 가벼우면서 형태에 구애받지 않는 비정형 에너지 저장방식의 개발이 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 전북분원 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 김남동 박사와 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동 연구팀이 에너지를 저장할 수 있는 섬유형 전극 소재를 개발했다고 밝혔다. 이 섬유는 강하고 가벼운 동시에 매우 유연한 특성을 가져 웨어러블 기기 폼팩터1)의 자유도를 높이고, 다양한 형태와 사용 용도에 맞춰 제작할 수도 있다.  [그림 1] 에너지 저장이 가능한 탄소나노튜브 섬유와 웨어러블 특성위 그림은 이미 산업화된 습식방사법을 이용하여 전기화학 활성을 지닌 탄소나노튜브 섬유를 대량생산하고 일반 옷처럼 위화감 없이 인체에 편하게 착용할 수 있다는 점을 나타낸다. 탄소나노튜브 섬유는 유연하고 가벼우며, 뛰어난 기계‧전기적 특성을 보유해 웨어러블 디바이스의 기초소재로 기대된다. 하지만 비표면적이 작고 전기화학 활성이 부족해 기존 연구에서는 주로 집전체2)로만 이용하고, 표면에 활성물질을 코팅하는 방법을 주로 사용했다. 그런데 이러한 접근법은 추가 물질 및 공정으로 비용이 상승하여 비경제적일 뿐만 아니라, 장기간 사용하거나 물리적 변형3)이 발생하면 활성물질이 섬유로부터 분리될 가능성이 높다. 폼팩터(form factor): 전자기기나 기계 장치의 크기, 모양, 디자인 구성을 지칭집전체: 활성물질이 전기적 에너지를 저장하거나 방출할 때 전자를 수집하고 배분하는 역할을 하는 전도성 소재구부림, 매듭 등 KIST 연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 활성물질 없이도 높은 에너지 저장능력을 가진 섬유형 전극 소재를 개발했다. 연구팀은 파우더 형태의 탄소나노튜브를 산처리해 개질4)하고 섬유화함으로써 전기화학 활성과 우수한 물리적 특성을 모두 갖춘 탄소나노튜브 섬유를 개발했다.  [그림 2] 기능화된 탄소나노튜브의 물성과 전기화학 활성도위 그림은 기능화된 탄소나노튜브의 원섬유 대비 기계적, 전기전도도 물성 향상 비교를 나타내며, 활물질 없이 표면이 깨끗함에도 불구하고 전기화학 활성도가 33배 증가함을 나타낸다.  [그림 3] 웨어러블 슈퍼캐패시터 실증위 그림은 탄소나노튜브 섬유를 섬유형 슈퍼캐패시터(FSSCs)로 제작하여 에너지 저장능력과 웨어러블 특성들을 시중에서 구입한 디지털시계로 실증한 것들이다.  개질된 탄소나노튜브 섬유는 일반 탄소나노튜브 섬유 대비 에너지 저장능력이 33배 증가하고, 기계적 강도는 3.3배, 전기 전도도는 1.3배 이상 증가했다. 게다가 순수한 탄소나노튜브 섬유만을 사용해 에너지 저장 전극 소재를 개발했기 때문에 습식방사5) 기술을 이용한 대량생산이 가능하다. 섬유형 슈퍼 커패시터6)로 제작해 테스트한 결과, 매듭을 지었을 때 100%에 가까운 성능이 유지되고 5,000번 구부림 테스트를 거친 후에도 95%의 성능을 유지했다. 또한 일반섬유와 탄소나노튜브 섬유를 직조해 디지털시계의 손목 줄로 제작했을 때도 구부림, 접기, 세척 후 잘 작동됐다.개질(reforming): 형태를 재구성한다는 의미로, 재료의 성분에서 화학 구조의 형태를 전환하고 그 과정에서 원하는 재료를 합성하고 추출하는 방법을 통칭함.습식방사(wet spinning): 섬유고분자를 용매에 녹여 이것을 방사구를 통해 압출해 응고시켜 섬유로 만드는 방법슈퍼 커패시터(super capacitor): 배터리와 같이 전기 에너지를 저장하는 장치로, 전통적인 커패시터와 배터리의 특성을 결합한 고용량의 에너지 저장 기술. 매우 빠른 충전과 방전 속도, 뛰어난 수명, 그리고 높은 전력 밀도를 제공하여 에너지 저장 및 공급양이 불규칙하거나 빈번할 때 널리 사용되고 있으며, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있음 KIST 김승민 박사는 “최근 이차전지의 도전재로 활용되며 다시 주목을 받기 시작한 탄소나노튜브가 훨씬 다양한 분야에 활용될 수 있음을 확인했다”고 연구의 의의를 설명했다. 공동연구자인 정현수 박사는 “탄소나노튜브 섬유는 우리가 보유한 원천기술과 선진국과의 기술격차가 크지 않아 경쟁력이 있는 분야”라며, “비정형 에너지 저장 핵심 소재로 응용하기 위한 연구를 지속하겠다”고 밝혔다. 또 다른 공동연구자인 김남동 박사는 “슈퍼 커패시터에서 더 나아가 에너지 밀도가 높은 섬유형 배터리로 응용하기 위한 연구를 현재 수행 중”이라고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요 사업(ORP, K-DARPA)과 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지역선도연구센터사업 (2019R1A5A8080326), 산업통상자원부(장관 안덕근)의 소재부품산업핵심기술개발사업(20017548)과 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 27.8, JCR 2.8%)에 표지논문 (Front Cover)으로 게재됐다.* 논문명 Active Material-Free Continuous Carbon Nanotube Fibers with Unprecedented Enhancement of Physicochemical Properties for Fiber-Type Solid-State Supercapacitors    < 연구진 소개 > 정현수 KIST 책임연구원(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 기능성복합소재연구센터○ 전화: 063-219-8168○ e-mail: jeonghs98@kist.re.kr  김남동 KIST 책임연구원(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 기능성복합소재연구센터○ 전화: 063-219-8178 ○ e-mail: ndkim@kist.re.kr  김승민 KIST 책임연구원(공동교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 탄소융합소재연구센터 ○ 전화: 063-219-8154 ○ e-mail: seungmin.kim@kist.re.kr  유하영 KIST 박사후연구원(제1저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 기능성복합소재연구센터 ○ 전화: 063-219-8253 ○ e-mail: hayoung@kist.re.kr  김정길 KIST 학생연구원(제1저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 기능성복합소재연구센터 한국과학기술원 생명화학공학과○ 전화: 010-8708-0685 ○ e-mail: opqt1357@kist.re.kr  이동명 LG화학 선임연구원(제1저자) ○ 소속: LG화학○ 전화: 010-6256-1108 ○ e-mail: dongmyeong1108@gmail.com      
편집부 2024-06-24
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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
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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
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KIST, 서울 상공 ‘에어택시’ 등장 앞당길 신소재 개발

- 도심형 항공 모빌리티(UAM) 등에 적용 가능한 100% 자기강화 복합재료 개발- 기존 연구성과 대비 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성 대폭 향상도심형 항공 모빌리티(UAM)와 같은 미래 이동 수단이 현실화되기 위해서는 연료 효율성은 높이면서 탄소 배출을 줄여야 하는데, 이를 위해서는 우수한 물성을 띠면서 재활용도 가능한 새로운 소재 개발이 반드시 필요하다. 자기강화 복합재료(self-reinforced composite, SRC)는 가격이 저렴하고, 경량성이 뛰어날 뿐만 아니라 강화재와 기지재1)가 동일한 성분으로 구성되어 폐기 및 재활용 측면에서 이점이 있다. 이 때문에 항공기 등에 사용되는 탄소 섬유 강화 복합재료(carbon fiber-reinforced composite)를 대체할 차세대 복합재료로 주목받고 있다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자파솔루션융합연구단 김재우 박사가 한양대학교(총장 이기정) 김성훈 교수, 전북대학교(총장 양오봉) 김성륜 교수와 함께 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 한 종류만을 사용한 100% 자기강화 복합재료를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.지금까지는 자기강화 복합재료의 제조공정에서 유동성 및 함침성2)을 향상시키기 위해 강화재 혹은 기지재에 화학적으로 다른 성분을 혼합해왔기 때문에 물성과 재활용 가능성 모두 떨어지는 문제가 있었다. 공동연구팀은 4축 압출 공정3)을 통해 폴리프로필렌 매트릭스의 사슬 구조를 조절하여 용융점, 유동성 및 함침성을 제어하는 데 성공했다.1) 기지재(matrix): 혼합비율에 따라 구성 비율이 상대적으로 가장 높은 재료2) 함침성(impregnation): 물질이나 기체 등이 다른 물질로 흡수되거나, 침투되거나, 묻혀서 그 안에 흡수되는 것3) 4축 압출 공정: 금속, 플라스틱, 나일론 등의 원료를 사용하여 3차원 형상의 복잡한 구조물을 만드는 제조공정으로, 3축 압출과 달리 회전축이 추가되어 길이, 너비, 높이와 함께 회전축도 제어할 수 있음.개발된 자기강화 복합재료는 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성이 기존 연구 결과 대비 각각 333%, 228%, 2,700% 향상된 최고 수준의 기계적 물성을 달성했다. 소형 드론의 프레임 소재로 해당 재료를 적용했을 때 기존 탄소 섬유 강화 복합재료 대비 52% 가볍고, 비행시간은 27% 증가해 차세대 모빌리티 적용 가능성을 확인했다.한양대학교 장지운 박사 후 과정 연구원(공동 제1저자)은 “연구에 도움을 주신 모든 분들에게 감사드리며, 앞으로도 대한민국의 차세대 모빌리티 전반에 기여할 수 있는 연구를 수행하길 희망한다”고 밝혔으며, 김성훈 지도교수(공동 교신저자)는 “전북대, 한국과학기술연구원, 남전산업과 현대자동차와 함께 교류하여 값진 연구성과를 창출해 기쁘다”며, “자기강화 복합재료는 탄소중립 주도권을 확보하면서 차기 미래 모빌리티 산업을 선도할 수 있는 소재로써 활용 가능하다”고 밝혔다.KIST 김재우 박사(공동 제1저자)는 “이번에 개발한 100% 자기강화 복합재료 엔지니어링 공정은 산업계에 즉시 적용될 수 있는 것으로 공동연구팀과 남전산업 및 현대자동차 등 산업계와 지속적으로 협력해 자기강화 복합재료의 글로벌 경쟁력을 확보하겠다”고 향후 계획을 밝혔다.전북대학교 유기소재섬유공학과 이혜성 박사과정(공동 제1저자)은 “박사과정으로서 자기강화 복합재료 연구를 수행하면서 나온 결과가 좋은 논문으로 결실을 맺어 기쁘고, 이러한 연구들이 학술적 및 산업적으로 다양하게 적용되길 희망한다”며, “연구를 지도해주신 지도교수님과 많은 도움을 주신 다른 저자분들께 감사하다”고 밝혔다. 김성륜 지도교수(공동 교신저자)는 “긴 세월 묵묵히 학업과 연구에 매진하면서 스스로 박사로서 가치를 증명한 이혜성 박사과정에게 박수를 보내고 싶다”면서, “학술적으로는 한국과학기술연구원과 한양대와 인력의 실시간 교류가 가능한 새로운 학술연구 플랫폼에 기초하여 세계적인 연구성과를 창출했다는 것과 산업적으로는 남전산업과 현대자동차와 함께 자기강화 복합재료의 글로벌 리더쉽을 확보했다는 것이 대단히 고무적이다”고 말했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 국가과학기술연구회(NST)의 ‘미래 모빌리티 동작 신뢰성 확보를 위한 고주파/고출력 전자파 솔루션 소재·부품 기술 개발’ 융합연구단 사업(CRC22031-000), 한국연구재단 기초연구사업(2016 R1A6A1A03013422), 중견연구자지원사업(2021R1A 2C11093839), 교육부(장관 이주호)의 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)으로 수행되었다. 연구 결과는 화학공학 분야 세계적인 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ (IF:16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신호에 게재되었다. * 논문명: True self-reinforced composites enabled by tuning of molecular structure for lightweight structural materials in future mobility- (제1저자) 전북대학교 이혜성 박사과정- (제1저자) 한양대학교 장지운 박사- (제1저자) 한국과학기술연구원 김재우 책임연구원- (교신저자) 한양대학교 김성훈 교수    - (교신저자) 한국과학기술연구원 김민국 선임연구원- (교신저자) 전북대학교 김성륜 교수(논문 DOI): https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142996
취재부 2023-06-11
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KIST, 과산화수소 대량생산을 위한 고효율 탄소 촉매 개발

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용·친환경 전기화학적 합성법 이용- 시간당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다.과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장·운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한, 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다.안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원 반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원 반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙1)과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/㎠의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도2)와 활성을 갖기 때문에 대량 생산이 어렵다는 한계가 있었다.KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제3)인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다.KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정4)의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 1) 카본 블랙: 미세한 탄소의 분말, 그을음으로 탄화수소가 열분해 또는 불완전 연소함으로써 생성됨. 2) 촉매 선택도: 촉매 A가 화학반응에서 생성되는 원하는 생성물 B의 양을 크게 증가시키면서 동시에 원하지 않는 생성물 C의 양을 줄일 수 있는 경우, 촉매 A는 높은 선택도를 가진 것으로 간주됨. 3) 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 성질을 가진 물질을 의미함. 이산화탄소는 수소화붕소나트륨과의 환원 반응으로 산소를 잃고 탄소만 남게 됨. 4) 전기펜톤산화공정(electro-Fenton oxidation process): 전기화학반응을 통해 환원극에서 물속 용존 산소를 환원시켜 과산화수소를 실시간으로 공급하면서 철이온과 반응하여 OH 라디컬을 형성해 하폐수안에 유기물질을 산화하여 분해하는 하폐수 처리공정.제1저자인 KIST 최재원 박사후연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원 반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극 소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업 분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제과학저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다.* 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production - 제1저자: 한국과학기술원 변아영 박사- 제1저자: 한국과학기술연구원 최재원 박사후연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 이홍우 박사후연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 한상수 책임연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원- 교신저자: 한국과학기술원 이재우 교수   https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 * 논문명:Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production - 제1저자: 한국과학기술연구원 장웬준 학생연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 최재원 박사후연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 김수연 박사후연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 한상수 책임연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원   https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 
취재부 2023-06-11
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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
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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
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사출성형 금형에 대하여 - 2단 금형

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근1. 사출 금형 구조1) 금형의 개요재료의 소성(Plasticity), 전연성(Malleability, Ductility), 유동성(Fluidity) 등의 성질을 이용하여 재료를 가공 성형, 제품을 생산하는 도구. 정의를 내리면 “동일형상, 동일 규격의 제품을 대량 생산하기 위한 모체가 되는 틀”이라고 할 수 있다. 우리나라에서는 다이(Die)와 몰드(Mould)를 통칭하는 의미로서 “금형” 또는 “형”이라 하고 중국, 대만, 홍콩, 싱가포르 등 중화 경제권에 속하는 국가에서는 “모구”라 말한다. 또한 영국을 비롯한 독일, 프랑스, 미국 등 서방 선진국에서는 “Special Tooling”이라 한다. (1) 금형의 장점① 대량 생산이 가능하다.② 생산제품, 부품의 치수 정밀도가 높다.③ 제품규격이 동일하여 호환성이 있고 조립 생산이 쉽다. ④ 제품생산 시 금형을 이용하면 특수기술이나 숙련 기술 없이도 제품을 만들 수 있다. ⑤ 제품의 외관이 깨끗하고 모델의 변경이 쉽다.⑥ 신제품의 개발 또는 모델의 변경이 쉽다.⑦ 제품의 생산시간이 단축된다.⑧ 다른 생산 방법보다 종업원 수를 줄일 수 있어 인건비가 절약된다. ⑨ 두께가 얇은 제품의 생산이 가능하고 무게도 줄일 수 있다.(2) 금형의 단점① 금형 가격이 높다.② 성형 사출기 및 부대 장치의 가격이 높다. ③ 성형품의 품질을 빠르게 결정할 수 없다.④ 사출성형 기술이 필요하다.2) 금형의 분류3) 사출성형 금형(Injection mould)열가소성 플라스틱의 성질(경화시키기 위해 용융상태로 가열하였다가 냉각시키더라도 그 구조상 물리적 변화만 생긴다)을 이용하여 실린더 안에서 가열된 재료가 녹게 되면 플랜저가 그 용해된 재료를 노즐을 통하여 고압으로 압입하면 용융 수지는 스프루, 런너, 게이트를 지나서 캐비티 부에 충전되고, 냉각된 금형에 의해서 냉각·고화되므로 성형이 된다. 사출 플랜저가 후퇴하고 금형이 파팅 라인을 따라 열리면 성형품이 금형으로부터 떨어지도록 이젝터 기구를 작동시킨다.4) 사출성형 금형의 분류5) 사출성형 금형의 구성(1) 보통 금형         코어와 캐비티로 구성되어있으며 형체 방향으로 여닫음의 운동만으로 사출품을 얻고 빼낼 수 있도록 구성되어 있는 금형- 2단 금형 (2장 구성 금형, 2매 판 금형, 2단 금형) 표준타입, 스트리퍼 플레이트 타입- 3단 금형 (3장 구성 금형, 3매 판 금형, 3단 금형) 표준타입, 스트리퍼 플레이트 타입(2) 특수금형금형이 형체 방향의 움직임뿐만 아니라, 금형을 구성하는 부품이 형체 방향의 직각 방향으로 움직이면서 금형을 여닫음으로써 사출품을 얻고 빼낼 수 있도록 구성되어있는 금형- 슬라이드 코어 타입- 분할형 타입- 나사 붙이 금형- 기타 등(3) 금형의 기본구조사출 금형의 구조는 금형의 본체인 몰드 베이스에 캐비티와 코어를 만들고, 런너, 게이트, 성형품의 돌출장치, 냉각 채널 등을 만들어 몰드 베이스의 양 끝에 붙어있는 부착판(취부판)을 사출기의 고정 반과 가동 반에 부착하여 성형작업을 한다.(3.1) 2단 금형(3.1.1) 2단 금형 몰드 베이스(Mold Base)① 사용 빈도가 많은 형대의 몰드 베이스는 표준으로 하여 상품화하여 판매하고 있다.코스트 다운, 납기 단축② 게이트 방식에 의해 S(사이드 게이트) 시리즈: 4타입③ 프레이트 수에 의해 2 플레이트 타입: S 타입(3.1.2) 2단 금형의 구조(3.1.3) 2단 금형의 작동순서스푸루, 런너, 게이트가 캐비티와 동일면에 있는 2개의 금형(코어, 캐비티)으로 구성된 금형- 1단계: 가동 측 전진(금형 닫힘) → Nozzle 전진 → Injection(사출) → Cooling(냉각)- 2단계: 가동 측 후진(금형 열림) - 3단계: Ejector rod 전진 → 제품이 Core 면에서 이탈 → 제품 수취 → Gate 절단- 4단계: Ejector rod 후진 → 밀판 후퇴 → 금형 닫힘(3.1.4) 2단 금형의 특징① 구조가 간단하고 자유낙하 성형에 적합② 내구성이 뛰어나며 성형 사이클이 빠르다③ 금형 제작비가 싸다④ 게이트의 형상 및 위치를 비교적 임의로 결정할 수 있다⑤ 다이렉트 게이트 이외는 특별한 공작을 하지 않는 한 게이트 위치는 성형품의 가장자리로 한정된다⑥ 성형 후 게이트의 절단 작업이 필요하다(서브마린 게이트는 제외)< 금형 각 부분의 명칭과 설명 >1) 2단 금형 ① 고정측 취부판(고정측 플레이트, Top Clamping Plate)금형의 고정측 부분을 사출기의 다이 플레이트(Die Plate)의 고정 플레이트(고정반)에 부착하는 플레이트② 로케이트 링(스푸루 부싱 리테이너 링, Lacate ring, Sprue Bushing Retainer Ring)노즐의 위치가 스푸루 부시의 중심에 잘 맞도록 해주는 링③ 고정측 형판(Cavity Retainer Plate)금형의 고정측 부분으로 캐비티를 구성함. 스푸루 부시, 가이드 부시 등이 끼워져 있다④ 가동측 형판(Core Retainer Plate)금형의 가동측 상부 판으로 코어를 구성하고 있고 가이드 핀 등이 설치되어 있다. 고정측 형판과 함께 파팅 라인을 형성함⑤ 받침판(Support Plate)가동측 형판을 받쳐 주는 플레이트⑥ 가동측 취부판(가동측 고정 플레이트, Bottom Clamping Plate)금형의 가동측 부분을 사출기의 다이 플레이트의 이동 플레이트(이동반)에 부착하는 플레이트⑦ 스페이서 블록(Spacer Block)받침판과 하부 취부판 사이에 위치하며, 이젝팅 핀이 움직일 수 있는 공간을 제공해줌⑧ 이젝트 플레이트 - 상(Ejector Plate - Upper)이젝트 핀, 이젝트 리턴 핀, 스푸루 록 핀 등이 끼워질 수 있도록 카운터 보어가 만들어져 있다.⑨ 이젝트 플레이트 - 하(Ejector Plate - Lower)이젝트 핀, 이젝트 리턴 핀, 스푸루 록 핀 등을 받치며, 고정시키는 받침판으로 상부 이젝트 플레이트와 볼트로 체결되어있다.⑩ 스푸루 부시(Sprue Bush)원뿔 모양으로 고정측 취부판에 고정되어 있으며, 여기에 사출기의 노즐이 밀착되어 용융 수지를 주입한다.⑪ 가이드 핀(Guide Pin)주로 가동측 형판에 고정되어 있으며, 고정측 형판과의 정확한 결합이 되도록 가이드해 준다. 상대 금형의 가이드 핀 부시에 결합된다.⑫ 가이드 핀 부시(Guide Pin Bush)주로 고정축 형판에 고정되어 있으며, 이동측 형판과의 정확한 조립이 되도록 가이드 핀이 들어오는 홀을 제공해준다.⑬ 이젝터 핀(Ejector Pin, Knockout Pin)금형이 열리고 나서 제품이 빠지도록 제품을 밀어내는 핀. 이젝터 플레이트들에 부착되며 이들과 함께 움직인다.⑭ 스푸루 록 핀(Sprue Lock Pin, Sprue Puller Pin)성형 후 금형이 열릴 때 스푸루를 부시에서 빠지게 하도록 스푸루를 잡도록 만든 핀.⑮ 리턴 핀(Return Pin)이젝터 핀이 제품을 밀어낸 다음 제자리로 돌아가도록 하는 핀으로 이젝터 플레이트에 부착되어 있다. 금형이 닫힐 때 고정측 형판(캐비티 금형)에 닿아서 뒤로 움직인다.⑯ 캐비티(Cavity)용융 수지가 들어가도록 고정측 형판(금형)에 오목하게 만들어진 빈 공간. 캐비티를 갖는 금형을 캐비티 금형이라 함. (고정측 형판 = 캐비티 금형)⑰ 코어(Core)가동측 형판(금형)에 볼록하게 만들어진 형상. 코어를 갖는 금형을 코어 금형이라 함. (가동측 형판 = 코어 금형) 금형이 닫히면서 캐비티와 코어가 결합되어 제품의 형상을 만들 수 있는 공간을 제공해준다. 이렇게 만들어진 공간을 “캐비티”라 부른다.
편집부 2023-04-16