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- 용액공정 기반 대면적 태양전지의 성능저하를 해결할 고분자 첨가물 개발- 향후 프린팅 형태로 바를 수 있는 태양전지 기술 상용화 기대   태양전지는 대표적인 청정 에너지원이다. 특히 3세대 태양전지에 속하는 유기 태양전지는 프린팅 형태로 제작 후 건물의 외벽이나 유리창에 붙여 활용할 수 있어서 도심 태양광 발전의 핵심기술로 기대를 모으고 있다. 하지만 태양 빛을 흡수해 이를 전력으로 전환하는 광활성 영역이 0.1㎠ 이하의 매우 작은 크기에 머물러 있고, 실질적으로 전력 수급이 가능한 면적인 수 ㎡로 확장할 때 발생하는 성능감소와 재현성 문제는 상용화에 걸림돌로 여겨지고 있다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀은 유기 태양전지의 대면적화에서 발생하는 성능감소 요인을 밝히고, 신규 광활성층 고분자 첨가제 소재를 개발해 유기 태양전지 대면적화 기술을 개발했다고 밝혔다.   삼성분계 광 활성층을 도입한 고효율 고 안정성 유기 태양전지 모듈 사진(좌) 및 관련 성능   연구팀은 유기 태양전지 내 광활성층의 조성 형태와 유기 태양전지의 제작과정 중 용액공정에 주목했다. 실험실 연구단계에서 주로 활용하는 용액공정인 스핀 코팅 방법은 기판이 빠르게 회전하면서 용매가 빠르게 증발하기 때문에 광활성층의 균일한 혼합형태를 얻을 수 있다. 하지만, 산업용으로 활용 가능한 대면적 연속 용액공정은 태양전지 소재 용액의 용매 증발속도가 느려 태양전지 소재의 응집 현상이 나타나 태양전지 성능이 저하되는 원인으로 작용했다.   고효율 고 안정성 유기 태앙전지   연구진은 이를 해결하기 위해 응집화가 잘 일어나는 소재와 상호작용해 응집을 막을 수 있는 고분자 첨가제를 개발하였다. 결과적으로 고분자 첨가제가 포함된 삼성분계 광활성층을 구현하였으며 광활성층 내 응집 현상을 방지하고 나노 단위에서 구조 제어가 가능해져 태양전지 성능 향상과 동시에 태양전지 가동 중 빛에 의해 상승하는 온도에 대한 안정성을 확보했다. 이를 통해 기존에 대표적으로 쓰이는 이성분계소재와 비교 했을 때 보다 성능이 23.5% 이상 향상된 14.7%의 태양전지 모듈 효율을 달성하였으며, 85℃ 가열 환경에서도 1,000시간 동안 초기효율의 84% 이상을 유지함으로써 효율과 안정성을 동시에 입증했다. 유기 태양전지(OPV: Organic Photovoltaics): 유기 반도체 소재를 광 활성층으로 사용하는 태양전지 (1세대 태양전지: 결정질 실리콘 태양전지, 2세대 태양전지: 실리콘 박막, CIGS 및 CdTe 박막 태양전지) 세 종류의 유기 반도체 소재를 섞어 구성한 광 활성층 두 종류의 유기 반도체 소재를 섞어 구성한 광 활성층   KIST 손해정 박사는 “고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 원리를 제안함으로써 유기 태양전지 상용화에 가까워졌다”고 말하며, “후속 연구를 통해 상용화가 이루어지면 건물 외벽이나 자동차 등에 쉽게 적용해 전기를 자급자족하는 친환경 발전이 가능하고, 모바일 및 사물인터넷 기기의 전력 공급원으로 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업과 연구재단 소재혁신선도사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’(IF: 17.881, JCR 분야 상위 4.641%) 최신호에 게재되었다.* 논문명: ‘Important role of alloyed polymer acceptor for high efficiency and stable large-area organic photovoltaics’ - 제1저자: 한국과학기술연구원 박성민 박사후연구원 - 교신저자: 한국과학기술연구원 손해정 책임연구원박성민 박사(제1저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 박사후연구원○ 전화: 02-958-5370○ e-mail: smpark@kist.re.kr 손해정 박사(교신저자)   ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 책임연구원○ 전화: 02-958-5320○ e-mail: hjson@kist.re.kr  
편집부 2022-08-11
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- 저비용·친환경 전해도금 공정으로 아연금속 음극 성장 및 최적화 성공- ‘폭발 위험’ 높은 리튬기반 에너지 저장장치를 수계아연전지로 대체 기대   최근 대부분의 ESS는 이차전지 중 기술 성숙도가 가장 높은 리튬이온전지를 채택하고 있다. 하지만 화재의 위험성으로 인해 대용량의 전력을 저장하는 ESS에는 적합하지 않다는 지적을 받고 있다. 국제적인 원자재 공급 불안정성 역시 큰 문제로 대두되고 있다. 반면 수계아연전지는 물을 전해질로 사용해 배터리 발화가 근본적으로 차단되며 원재료인 아연의 가격도 리튬의 1/16에 불과하다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 수계아연전지 상용화의 열쇠인 ‘고밀도 아연금속 음극’ 제조기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 제조기술은 특히 저비용·친환경 용액을 이용하여 쉽고 간단한 전해도금 공정만으로도 높은 에너지밀도와 긴 수명의 아연금속 음극을 만들 수 있어 수계아연전지 대량 생산의 기폭제가 될 것으로 전망되고 있다.   기존 수계 전해액에서 불규칙하게 생성되어 부식 반응을 유발하는 아연 입자와 달리 DES 용액에서 성장시킨 아연은 빽빽하고 균일하여 충·방전 후에도 안정적으로 구조를 유지한다.   이론적으로 수계아연전지는 다가 이온을 활용하여 이온 하나당 두 개의 전자를 이용하기 때문에 알칼리 금속 이온 대비 부피당 에너지밀도 측면에서도 유리하다. 전지를 제작할 때 음극으로 사용되는 아연금속의 용량이 양극의 2배만 넘지 않으면 현재 상용화된 리튬이온전지에 버금가는 에너지밀도의 구현이 가능하다. 심지어 아연금속의 용량이 양극의 5배에 달해도 부피당 에너지밀도 측면에서 차세대 배터리로 주목받는 소듐이온전지와 비슷할 만큼 경쟁력이 뛰어나다. 아연금속 전해도금 후의 표면 및 단면 미세구조   하지만, 아연금속 음극은 전지 구동 시 나노입자가 불규칙하게 성장하고 부식이 일어나 이차전지의 에너지밀도와 수명을 지속적으로 저하시킨다는 문제를 안고 있었다. 음극 내 낮은 아연금속 입자 밀도와 넓은 표면적이 전해액과의 부식 반응을 가속화해 활성 아연금속과 전해액을 고갈시키는 것이다. 기존의 연구들은 이런 수명의 한계를 보완하기 위해 일반적으로 필요보다 20배 이상 많은 양의 두꺼운 아연금속을 사용하는데, 이는 역설적으로 수계아연전지의 최대 강점인 에너지밀도와 가격 경쟁력의 저하를 불러올 수밖에 없었다.   KIST 이민아 박사팀 연구진은 (좌측) 염화콜린(ChCl)과 (가운데) 요소(UREA)를 혼합하여 (우측) 친환경 공융용매(DES)를 제작했다.   이에 따라 KIST 이민아 박사팀은 수계아연전지의 에너지밀도와 수명 저하를 유발하는 부반응을 줄이기 위해 아연금속 음극의 미세구조를 제어했다. 이를 통해 상온에서 간단하게 합성할 수 있는 DES(Deep eutectic solvent, 깊은공융용매) 용액을 제조했다. 제조한 DES 용액은 콜린클로라이드(Choline chloride, ChCl)와 요소(Urea)를 1:2의 몰비로 혼합하여 녹는점이 12℃인 액체 상태의 복합체가 되는 대표적인 DES 물질로 알려져 있다. 연구진은 DES 내에서 아연과 구리 집전체 사이에 친아연성 구리-아연 합금층이 자발적으로 형성되며 고밀도의 아연 입자를 성장시킨다는 사실을 확인했다. 연구진은 이를 활용해 저비용·친환경인 DES 용액에서 아연금속을 조밀하고 균일하게 성장시키는 전해도금 공정을 개발하는 데 성공했다.   KIST 권민형 연구원이 공융용매를 활용하여 제작한 고밀도의 아연 음극과 이를 적용하여 획기적으로 성능이 개선된 수계아연전지(파우치형)를 살펴보고 있다.   이렇게 제조한 아연금속 음극을 수계아연전지 시스템에 적용한 결과, 부식 반응이 효과적으로 억제돼 7,000회 이상의 반복적인 충‧방전 이후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 얇은 아연을 활용한 기존의 유사 연구들 중에 가장 뛰어난 결과이며 상용 리튬이온 이차전지의 충‧방전 수명(1,000~2,000회)을 크게 상회하는 수치이다.   차세대 수계아연전지용 고밀도 음극 제조기술 개발에 성공한 KIST 에너지저장연구센터 이민아 박사(좌, 교신저자)와 권민형 연구원(우, 제1저자)   KIST 이민아 박사는 “신재생에너지 보급과 확대의 가장 큰 걸림돌인 ESS의 화재 안전성을 단번에 해결할 수 있는 수계아연전지의 상용화 핵심 기술을 개발하게 됐다”라며, “이번 고밀도 아연 음극 제조기술은 특히 경제적이고 친환경적인 DES 용액과 이미 산업 전반에서 널리 쓰이는 전해도금 공정이 결합돼 수계아연전지 대량 생산의 길을 열게 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다,본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업, 개인연구사업(중견연구) 및 KIST 주요 사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야의 세계적 권위지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF:38.532, JCR 분야 상위 0.182%) 최신 온라인판에 게재되었다.* 논문명: Stimulating Cu–Zn alloying for compact Zn metal growth towards high energy aqueous batteries and hybrid supercapacitors - 제 1저자: 한국과학기술연구원 권민형 학생연구원 - 교신저자: 한국과학기술연구원 이민아 선임연구원 권민형 학생연구원(제1저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부에너지저장연구센터 학생연구원 고려대학교 화공생명공학과○ 전화: 02-958-5808○ e-mail: kwon951013@kist.re.kr이민아 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구소에너지저장연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5297○ e-mail: minahlee@kist.re.kr        
편집부 2022-08-11
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- KIST‧POSTECH 연구팀, LOHC 탈수소화용 나노촉매 개발- 수소 추출공정 중 발생하는 부산물 줄여 수입 실증에 필요한 핵심기술 확보   지난해 11월 정부에서 발표한 제1차 수소경제 이행 기본 계획에 따르면, 우리나라는 2030년까지 국내 수소 공급량을 390만 톤으로 늘리는 것을 목표로 하고 있지만, 이 중 절반 이상인 196만 톤을 해외에서 생산된 수소로 수입하여 공급할 계획이다. 그런데, 수소는 압축시켜 선박을 이용해 국내로 이송하기 때문에 한 번에 수입할 수 있는 수소량이 제한적이라는 문제가 있다. 최근 대용량의 수소를 저장 후 상온·상압에서 운송할 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carriers) 기술이 주목받는 이유다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 손현태 박사와 포항공과대학교(POSTECH, 총장 김무환) 화학공학과 윤창원 교수 공동연구팀은 LOHC의 수소 추출공정에 필요한 다공성 실리카 기반 나노촉매를 개발했다고 밝혔다. 개발된 촉매는 수소 추출공정에서 발생하는 부산물의 양을 획기적으로 줄임과 동시에 추출 속도도 빨라서 향후 대규모 수소운송 실증을 가능케 하는 핵심기술이 될 것으로 기대된다. 다공성 실리카: 고도로 발달 된 중형의 규칙적인 기공 구조를 갖는 구조체형 실리카(SiO2)   LOHC는 유기화합물을 수소 저장, 운송 및 방출을 위한 매개 물질로 사용하여 대용량의 수소를 이송하는 기술이다. 이는 경유, 휘발유 등과 비슷한 성질을 가지고 있어 초기 투자 비용 없이 기존의 석유화학 시설 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있고, 암모니아를 이용한 액체 기반 수송과는 다르게 수소 저장 및 추출 사이클을 반복하는 것이 가능해 비용을 줄일 수도 있다. 하지만, 수소 추출공정 중 소량 발생하는 부분 탈수 소화 물질(부산물)이 저장-추출 사이클의 반복 과정에서 누적되어 수소 저장량의 감소와 함께 전체 공정의 효율을 떨어뜨리는 한편, 고온에서 진행되는 수소 추출공정에서 촉매의 안정성이 낮아져 수소생산 속도 또한 낮아진다는 문제점이 있었다.   KIST-POSTECH 공동연구진이 개발한 LOHC 탈수소화용 촉매 구조 모식도   공동연구팀이 개발한 촉매는 3차원 중형 다공성 실리카(Ordered mesoporous silica, KIT-6)에 1-2 나노미터(1nm: 10억분의 1m) 크기의 백금(Pt) 금속이 고르게 퍼져있는 형태로 상용 촉매 Pt/Al2O3보다 약 2.2배의 탈수소화 성능을 기록하였으며, 액상 생성물 분포에서도 바이페닐 기반 LOHC 탈수소화 부산물이 상용 촉매 대비 1/20 수준으로 발생함을 확인하였다. 뿐만 아니라 나노 백금 금속 입자가 3차원 다공성 실리카 지지체의 각 기공 안에 존재하기 때문에 높은 반응 온도에서도 안정적이며, 장시간 사용해도 촉매 성능이 유지된다는 것을 확인했다. KIT-6: 3차원 중형 다공성 실리카(Ordered mesoporous silica)의 일종 백금 금속: 원자 번호 78번의 금속, 무겁고, 연성이 있는 값비싼 귀금속으로 10족에 속하는 전이 금속임.   KIST 손현태 박사는 “본 연구는 촉매의 기공 크기 및 바이페닐 기반 LOHC 반응물의 체류 시간을 조절하여 수소 선택도와 생산 속도를 높인 경우”라며, “향후 추가적인 연구를 통해 본 촉매를 바이페닐 기반 외 다양한 LOHC 추출공정에 적용해 보는 것이 목표”라고 말했다. POSTECH 윤창원 교수는 “2019년에 출범한 국내 LOHC 원천기술개발 연구단은 이미 LOHC와 관련된 촉매, 반응기, 공정 및 시스템 구축 기술을 확보하였으며, 앞으로 연구단에서 얻은 결과를 활용하여 해외에서 대용량의 수소를 LOHC로 들여오기 위한 시스템 스케일 업 연구개발이 필요하다”라고 말했다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로, 한국연구재단 “수소에너지혁신기술개발사업”으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 저명 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 19.503, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Dehydrogenation of homocyclic liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) over Pt supported on an ordered pore structure of 3-D cubic mesoporous KIT-6 silica - 제1저자: 한국과학기술연구원 안창일 박사후연구원 - 교신저자: 한국과학기술연구원 손현태 선임연구원 - 교신저자: 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 윤창원 교수안창일 박사(제1저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지연구센터 박사후 연구원○ 전화: 010-5386-8983○ e-mail: ciahn@kist.re.kr손현태 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지연구센터 선임연구원○ 전화: 02-958-5241○ e-mail: sohn@kist.re.kr윤창원 박사(교신저자)○ 소속: 포항공과대학교 (POSTECH)  화학공학과 교수○ 전화: 054-279-6881○ e-mail: cwyoon@postech.ac.kr    
편집부 2022-08-11
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- KIST, 몽골과학아카데미와 MOU 연장 체결로 상호보완적 연구 협력 강화- 몽골 과학기술계 공무원과 연구자 초청 역량 강화 프로그램 개최   한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 2022년 6월 10일(금)부터 16일(목)까지 7일간, KIST 본원 및 강릉분원에서 몽골 교육과학부 공무원과 연구소 소장급 총 13명을 초청하여 ‘몽골 과학기술 역량 강화 프로그램(2022 Mongolia S&T Capacity Building Program)’을 개최하고, 몽골과학아카데미(MAS, 원장 Regdel Duger)와의 협력 협정을 연장 체결했다.     이번 초청 연수프로그램은 KIST의 설립 및 한국의 발전 경험을 공유하고 몽골에 적용할 수 있는 실천계획을 수립하는데 목표를 두고 있다. KIST는 지난 2015년부터 개발도상국 과학기술부처 공무원 및 연구자를 초청하여 과학기술 역량 강화 프로그램을 운영해왔다. 이를 통해 개발도상국의 과학기술 혁신 역량을 함양하여 지속 가능한 목표(SDGs)를 달성하는데 기여하는 한편, KIST의 연구 협력 네트워크를 확대·강화하고 있다. KIST와 MAS는 2001년도에 체결한 협력 협정을 연장 체결하여 KIST 연구 경험과 몽골의 천연자원을 결합한 상호보완적 연구 협력을 강화할 예정이다. KIST 윤석진 원장은 “지난 2002년부터 MAS와 공동으로 한몽과학기술협력센터를 운영하여, 활발한 연구 협력을 추진했다. 앞으로도 천연물 분야 등 과학기술 협력과 더불어 대한민국의 과학기술 분야 발전의 경험을 공유하겠다”라고 밝혔다.이번 협력 협정 체결을 위하여 방한한 Regdel Duger(뚜게르 렉델) MAS 원장은 “몽골의 풍부한 천연자원과 한국의 연구역량을 결합하여 상호보완적인 연구 협력을 강화하는 것이 이번 협력 협정체결의 취지” 라고 설명하면서 향후 협력 성과에 대한 기대를 밝혔다.    
편집부 2022-08-11
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1. 서론전 세계적으로 에너지의 효율적인 관리 기술을 통한 부가가치 창출에 관한 관심이 급증하고 있으며 열 손실을 최소화하는 기술에 관한 관심이 높아지고 있다. 건축물 구조에서 에너지 손실이 가장 많은 유리창은 하절기의 온도상승, 동절기의 에너지 손실과 유해 자외선 유입을 차단하는 기능이 충분히 발휘되어야 하는 등의 에너지 절감 효과가 필요하다. 이런 에너지 절감 필름은 친환경 정책 지향 산업이라 할 수 있으며, 에너지 절감 스마트 필름은 외부에서 유입되는 빛의 투과도를 조절하여 소비자에게 사생활 보호, 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 수동/능동 제어 기술로 간편한 조작과 저전력으로 다양한 고급 편의 기능을 부여할 수 있어 미래형 기술로 주목을 받고 있다. 기존 스마트 윈도우 기술은 높은 제조 단가와 무거운 무게, 곡면 시공의 한계 등 단점들이 있기 때문에 아직 상용화가 확대되지 못하고 있다. 또한, 중소 중견기업에서 기술개발에 투자하기 어렵다는 점이 여전히 넘어야 할 산으로 남아있는 실정이다.특히, 기존 투명전극 소재로 상용화에 성공한 ITO(Indium Tin Oxide)의 경우, 금속 기반의 소재로 유연 전자제품 적용에 적합하지 않으며, 이러한 기술적 문제점들을 해결하기 위해 유리가 아닌 PET와 같은 유연 필름 기재를 이용하고 우수한 내구성을 갖춘 스마트 필름 개발이 요구되고 있다. 이와 더불어 식물 생장에 요구되는 가시광선 영역의 투과도를 선택적으로 제어하거나 군수 분야의 특수목적용으로 IR 스텔스 기능을 부여한다면 세계 스마트 필름 시장에서 대중화를 선도하고 기술적인 측면에서 우위를 확보할 수 있다. 유연한 투명 에너지 절감 스마트 필름 기술개발에는 고분자 기반의 유연 소재 원천기술 확보, 전파장 영역의 투과/차단 특성 제어 기술 등이 필수적인 중요기술로서 요구된다.최근 저탄소 녹색성장 계획이나 제로 에너지 빌딩 정책과 함께 정부에서도 에너지를 효율적으로 관리하기 위한 주요 제도 및 대책을 실행하고 있으며, 고효율 건물 보급 및 확산을 위해 ‘건축물 에너지효율등급 인증제도’, ‘건축물 에너지절약 계획서 검토’, ‘친 환경주택 성능 평가 제도’ 등 정부 차원에서 스마트 윈도우 설치를 권장하고 있다. 또한, VOC 규제에 대응하기 위해서는 친환경 수계 기반의 소재 합성공정을 기반 기술로 하여 투명전극 및 적외선 차단 특성 등 여러 가지 기능성을 부여하고 모든 공정을 수계 습식공정으로 적용하는 연구가 활발하다(그림 1). 수분산 형태의 공액 고분자 소재는 간편한 습식공정으로 대면적 코팅 필름 제조가 가능하고 Dip, Flow, Spray 방식의 코팅으로 다양한 3D 굴곡 및 유연 기재에 적용이 가능하다. 특히, 가시광선 영역의 빛을 투과하는 특성을 극대화하여 유연 스마트 필름의 투명전극 소재, 농업용 열 차단 필름, 특수목적용 IR 스텔스 필름 등으로 활용이 기대된다. 이러한 응용 제품들은 냉난방비를 절약하여 에너지 절감 효과를 가지기 때문에 요즘 이슈화 되고 있는 환경 문제 등에 대해 대응하기 적절하다.2. 공액 고분자 나노입자 소재2.1. 투명전극 소재능동형 스마트 필름에서 투명전극 소재는 필수적으로 요구되는 핵심 소재로서 기존 시장에서는 현재까지 ITO가 대부분 제품에 적용되고 있다. 최근 폴더블 디스플레이 또는 롤러블 전자제품이 각광을 받기 시작함에 따라 ITO를 대체할 수 있는 새로운 투명전극 소재가 요구되는 상황이다. 2018년 이후로 세계 투명전도체 전체 시장은 점차 증가하지만 이에 반해 ITO 단독 시장 규모는 점차 감소하는 경향을 보인다(그림 2). 따라서 ITO 대체 유연 투명전극 소재 개발이 절실히 필요하며 제조 단가, 공정성, 유연성 등을 고려하였을 때, 전도성 고분자 소재가 차세대 투명전극 소재로 기대된다. 2010년 전, 후로 전도성 고분자 소재에 관한 많은 연구가 진행되었지만, 독일 Heraeus 기업의 독점을 통한 소재 공급으로 국내에서는 전도성 고분자 기반 투명전극 소재 상용화에 성공한 기업은 전무한 상황이다. 몇몇 국내 기업에서 대전 방지 특성을 갖는 전도성 고분자 제품을 출시하였으나, 기술에 대한 차별화가 아닌 단가 경쟁으로 미래 신사업 분야 창출이나 국산화 기술력 확보는 힘든 상황이다. 현재 ITO 대비 가시광선 영역에서의 낮은 투과도와 전기전도도가 이슈로 남아있는 상황이지만 전도성 고분자 소재가 갖는 기본적인 전기적 특성 외에 적외선 영역의 흡수 특성 등 차별점을 부각시켜 적합한 분야에 적용한다면 충분한 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.2.2. 열 차단 소재모든 물체는 절대 0도 이상에서 열을 발산하는데 에너지 절감을 위해서는 빛의 전 영역 파장 범위에 대해 목적에 따라 투과/차단 특성을 제어하는 것이 필요하다(그림 3). 특히, 식물 생장이나 관측자의 시인성과 같이 투명성이 요구되는 분야에서는 가시광선 영역의 투과도를 극대화시키고 자외선이나 근적외선 영역의 빛은 선택적으로 차단하여 열 차단 효율을 향상시키는 것이 중요하다. 기존의 열 차단 소재는 CTO(Cesium Tungsten Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide)와 같이 Oxide 계열의 소재가 주로 사용되었으며 Low-E 윈도우의 경우, Ag와 같은 금속 소재의 증착을 통해 다층 구조로 제조되고 있는 상황이다. CTO의 경우, 소재 자체의 원천 특허를 해외 기업에서 보유하고 있고 광학용으로 적용 시 헤이즈(haze)와 같은 시인성 저하 문제가 있으며 MEK 또는 알코올과 같은 유기 용매를 기반으로 제조되기 때문에 환경적인 측면에서도 이슈가 존재하는 상황이다. 따라서 이러한 광학적인 부분에 대한 개선과 친환경 부분의 문제점을 해결할 수 있으면서 동시에 제조 단가를 절감할 수 있는 새로운 열 차단 소재 개발이 필요한 상황이다.3. 기술개발 현황3.1. 스마트 필름 개발 동향스마트 필름은 채광 및 조명 제어, 김 서림 방지 등의 기능을 갖춘 소재 기반의 복합 제어 기술을 응용하여 자동차, 건축, 농업 분야 등에서 전력 사용량 및 에너지 절감 효과를 가져오는 실질적인 기술이다. 스마트 필름의 개발 이전에 유리 기판을 사용하는 스마트 윈도우가 개발되었으나 굴곡 면과 같은 다양한 형태의 기재나 플렉서블한 형태의 제품 수요가 증가하며 PET, PC 필름과 같은 투명 유연 기재를 기반으로 한 스마트 필름 제품으로 개발 방향이 전환되고 있는 추세이며, 경제 산업적인 측면에서도 높은 부가가치가 예상된다. 투명전극 필름을 전극으로 이용한 플렉서블 스마트 필름은 여름철에는 외부로부터 들어오는 태양에너지를 줄이고 겨울철에는 외부로 방출되는 내부의 에너지를 감소시킴으로써 냉난방 에너지를 줄일 수 있다.능동형 스마트 윈도우 기술을 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다(표 1).3.1.1. PDLC 사생활 보호필름 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)란, 마이크론 크기의 액정 입자(droplets)들이 고분자 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있는 구조를 지닌 고분자 분산 액정 복합체가 투명전극에 형성된 전기장에 의해 입자들이 규칙적으로 배향되고 굴절률의 일치를 유도하여 투과율을 조절하는 기술이다. 응답속도는 빠른 대신 전력 소모가 크다는 단점이 있다. PDLC는 에너지 효율 및 사생활 보호 기능, 별도 스크린이 필요 없는 영상 송출용 광고판 역할 등 관련 제품 수요가 늘어남에 따라 관련 기술에 관한 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 일반적으로 PDLC는 고분자 매트릭스와 액정, 기판, 투명전극으로 구성된다. 투명전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 널리 사용되고 있으나, 수요 급증에 따른 가격 상승과 높은 제조 비용, 그리고 유연하지 못한 성질 등으로 인해 그 사용에 한계가 있다. 이런 단점을 갖는 ITO를 대체하기 위해 새로운 소재를 도입하고자 하는 연구가 꾸준히 보고되고 있으며, 최근 유기 전극 소재를 사용하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다(그림 4). 대표적인 예로는 PDLC 셀의 투명전극 소재로, 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 사용하였으며 가시광선 영역에서의 높은 투과도와 낮은 전기적 저항을 띄는 특성으로 인해 빠른 응답속도와 뛰어난 투과율 변화를 갖춘 PDLC 셀을 제작하고 있다. 특히, 투명전극 소재인 전도성 고분자의 용액 공정이 가능한 특징으로 인해 대면적 및 In-line 공정으로 PDLC 셀의 제작이 가능함을 입증하였고, ITO 대비 반복적인 굽힘에 대한 저항 변화율이 낮아 스마트 필름으로의 응용 가능성을 넓혀주었다.현재 PDLC 기술을 응용한 제품 개발을 활발히 진행하고 있는 국외 기업으로는 미국의 윈도우 필름 전문기업인 ‘레이노’가 있으며, PDLC 스마트 필름뿐만 아니라 단열 기능을 갖춘 필름 제품도 생산하고 있다.국내 기업으로는 ‘디아이(주)’가 무결점 PDLC를 생산하여 스마트 윈도우 필름, 프로젝션 스크린, 자동차 선루프 등에 응용하고 있다. ‘스마트 필름 PDLC 그룹(주)’에서는 스마트 윈도우 필름용 외에도 스마트 사물함, 스마트 자동문 등 다양한 상용 제품으로의 응용 개발을 진행하고 있다.3.1.2. 전기변색 스마트 필름Electro chromic device(ECD)는 전극 물질에 전기화학적으로 산화 또는 환원반응을 일으킬 때 가역적으로 색 변화가 일어나는 현상을 기반으로 제작된 전자 소자이다. ECD의 응용 분야로는 에너지 절감형 스마트 윈도우, 정보 표시 디스플레이, 스마트 선글라스 등이 있다. 산화 및 환원반응에 의한 색 변화를 수반하는 물질은 금속 소재, 고분자 소재, 단분자 소재 등이 연구되고 있으며 각 소재를 기판상에 균일하게 코팅하여 적층 구조를 형성시켜 ECD를 제작하게 된다. 기본적인 ECD의 구성은 기판, 투명전극 소재, 산화 변색 물질, 전해질, 환원 변색 물질, 투명전극 소재, 기판의 총 5층의 구조로 이루어져 있다(그림 5). 많은 연구개발의 경우를 살펴보면, 제조과정은 유리 기판 소재 한쪽 면에 투명전극을 증착한 후에 각각의 상/하판에 산화 변색 물질과 환원 변색 물질 박막을 도포하는 공정으로 이루어진다. 산화/환원되는 물질의 종류에 따라 다양한 색을 구현할 수 있으며, 산화/환원반응이 동시에 이루어지기 때문에 양쪽 전극 모두를 사용함으로써 복합구조의 색을 구현할 수도 있다.특히, ECD 관련 최근 연구 동향을 살펴보면, 플렉서블한 기재 및 웨어러블 특성의 소자 등 다양한 형태의 기재를 기반으로 한 제품 개발이 이루어지고 있다. 대표적인 전기변색 물질 중 금속 소재인 텅스텐 옥사이드(WOx)의 경우 플렉서블한 ITO 필름 기재상에 Sol-gel 코팅 또는 스퍼터링 증착을 통해 박막을 형성하는 시스템을 사용한다. 다른 예로는 전기변색 특성을 띠는 전도성 고분자 용액을 플렉서블한 기재상에 코팅하여 전기변색 소자를 제작하는 시스템이 활발히 연구되고 있다. 대표적인 예로는 환원 변색 소재인 PEDOT:PSS가 있으며, 투명전극과 전기변색 역할을 하나의 층에서 동시에 수행함으로 계면에서 전력 소모가 감소하기 때문에 저전력으로 원활한 구동이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 전기변색 기술과 전기변색용 소재 개발 연구를 기반으로 최근 가장 주목받고 있는 응용 분야는 건축(주거용, 상업용 빌딩) 및 수송(자동차, 비행기, 선박 등) 부문이 있으며, 그 외에도 투과도 조절이 가능한 웨어러블 제품이 있다(그림 6). 그러나 현재까지 대부분의 전기변색 제품들은 유리 기재 기반의 제품으로 개발되고 있으며, 필름형 제품은 연구 단계인 실정이다(그림 7). 현재 전기변색 기술을 응용한 제품 개발을 활발히 진행하고 있는 국외 기업으로는 미국의 Gentex 사가 있으며, 자동차용 미러 시장의 우위를 선점하고 있다. Sageglass 사를 중심으로 전기변색 스마트 윈도우 시장의 규모가 확장되고 있으며, 실제 대형 건물의 창호를 디자인함으로써 상용화에 도달한 수준의 기술임을 입증하였다. 국내 기업으로는 ‘립하이(LeapHigh)’가 있으며, 반도체 박막증착 기술 전문 기업으로써 기존 자동차용 미러 제품의 구조적인 한계를 극복하고 경쟁 기업인 미국 Gentex 사의 높은 가격대의 단점을 보완하여 Eyewear, Automotive, Architecture 용 전기변색 제품을 생산하고 있다.이처럼 전기변색 기술은 지속적으로 응용 분야를 개척해 나가며 최근 들어 에너지 위기, 새로운 디스플레이의 개발, 안전에 대한 사회적 수요에 의해 새롭게 조명을 받고 있다. 따라서 자동차 및 건축물 창호, 모바일 전자 소자용 전기변색 기술의 발전은 낙관적이라고 전망할 수 있다.3.2. IR 차단 필름 개발 동향3.2.1. 열 차단 필름열 차단 필름이란, 태양 빛 에너지 중 열원인 IR을 반사, 흡수 등을 이용하여 내부로 투과되는 에너지를 감소시켜 온도를 저감하는 기술이다. 현재 시장에서는 실내 온도상승을 줄이고 쾌적한 실내 온도로 낮추기 위해 중공 이산화바나듐을 이용하고 이 입자 표면에 표면개질제를 사용해 두꺼운 코팅층을 형성해 경제성 및 열과 적외선 차단 효율을 높인 기술을 적용하고 있다. 적용 분야에는 일반적으로, 농업용 비닐에 코팅되어 열 차단 기능성이 있는 비닐하우스 설계를 들 수 있다. 또한 유리가 존재하는 모든 건축물에 적용될 수 있다. 건축물에 적용될 경우 실내로 유입되는 가시광선을 최대로 허용해 하절기에는 실내로 유입되는 태양열을 감소시키고 동절기에는 실내의 열을 실내로 재 반사시켜 냉난방 효율을 증대시킬 수 있다.특히 이러한 기능은 지구 온난화에 의해 증가된 온도에 의한 피해를 줄이고 에너지의 절감을 통해 현재 전 세계적으로 행해지는 온실가스 감축 및 에너지 소비 합리화 정책과 맞물려 필요성이 대두되고 있다.현재 지구 온난화로 평균 기온의 상승과 태양광 장파장 투과량 증가로 인해 세계 곳곳에서 발생하는 농작 및 경작지의 사막화가 진행되고 있다. 이러한 사막화가 진행되는 경작지에는 온실가스를 줄이는 기술적 조치 등이 방법으로 제시되고 있다. 현재 우리나라에서는 에너지 소비 합리화를 위해 제로 에너지 빌딩을 목표로 에너지 소비량을 감소시키고 있다. 특히 공공기관의 건축물과 일정 층 이상의 건물에는 단열성능 등을 강화하여 passive 형태로서 냉, 난방에 사용되는 에너지를 줄이고자 한다. 이러한 방향에 필요한 기술로는 사막화가 진행되는 경작지에 제공될 수 있는 온도 저감이 가능한 농업용 필름과 제로 에너지 빌딩을 위한 passive 에너지 절감 필름의 기술 등을 제시할 수 있다(그림 8, 9). 두 가지 모두 공통으로 태양 빛에 의해 과도하게 증가하는 온도의 영향에서 벗어나고자 제시된 기술로서, 각각의 기술에는 목적에 따라 차단하는 태양광의 범위와 강도가 달라 이를 미세하게 조절해야 할 필요가 있다.이 중 농업용 필름은 작물의 광합성을 위한 가시광선은 투과하고 온도의 증가 원인인 NIR, MIR 및 FIR은 차단이 필요하다. 그러나 현재 기술로는 투명하게 가시광선만을 투과하고 NIR, MIR 및 FIR을 전부 차단하여 온도를 저감하는 기술은 전무하다. 이러한 이유로 대다수 작물의 생육 온도인 35℃를 넘겨 폐사하는 사례가 증가하고 있다. 따라서 이런 문제점을 극복하기 위해, 생육에 필요한 가시광선을 80% 이상 투과하고, 온도 절감을 위한 IR 차단율이 높고, 기존의 일반 농업용 필름과 비교하여 온도 절감과 에너지 절감률이 높은 투명한 필름 기술을 개발하는 것이 필요하다(그림 10).현재 이러한 기술을 적용하기 위한 국내 기술 수준 및 동향을 살펴보면, 염료 착색에 의한 필름 기술개발이 선행되어 판매되고 있으며, 평가 대상 기술 제품과 같은 열 차단 기능이 있는 물질을 필름 혹은 유리 위에 분무 형태나 도포하는 형식의 열 차단 제품을 제조하는 업체가 몇몇 존재하지만, 단열재를 포함한 단열 비닐을 제조하는 업체는 전무하다.• ㈜K&P nano유리 또는 필름 위에 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Sn, Sb가 첨가된 P형 반도체 구조의 물질), CTO(W, Sb, Sn, Cs가 첨가된 P형 반도체 구조의 물질) 화합물을 코팅하는 소재로 생활용품의 IR 차단용으로 생산한다.• ㈜미지나노텍ITO, ATO, CTO, 나노물질(Au, Ag, Pt, W 등), 나노 세라믹(TiO2, 음이온, 황토 등) 등의 입자를 생산, 판매한다. 열 차단 소재로 ITO, ATO, CTO powder 및 solution이 있으며, 유리 또는 필름 위에 화합물을 코팅하는 방법으로 제품을 생산한다. 이러한 기술들의 단점을 극복하기 위해 국내 대학 및 연구기관에서 다양한 연구들을 진행 중이다.• 한양대학교 김동립 교수 연구팀Silicone elastomer에 silica aerogel microparticles을 분산시켜 투명한 상태에서 온도 절감이 가능한 메타물질을 보고하였다.3.2.2. IR 스텔스 필름스텔스 기술이란, 탐지 센서인 레이더나 적외선 탐지 장비 등으로부터 생존을 보장하기 위해 신호의 크기를 차단 또는 축소하는 기술을 의미한다. 스텔스 기술을 적용하면, 적에게 노출되지 않고, 노출된 경우라도 탐지된 신호가 축소 또는 왜곡되어 적의 상황 판단을 어렵게 만들기 때문에 아군의 생존확률을 증대시킬 수 있다. 국내에서는 적외선 메타물질 흡수체를 응용하여 고성능 센서, 파장 선택적 열 방출기, 열화상 이미지 센서, 적외선 스텔스에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히 연세대학교 조형희 교수팀과 한재원 교수팀이 적외선 메타물질 흡수체를 이용하여 적외선 대기흡수 창으로 열에너지를 방사하는 연구를 수행하였다. 한재원 교수팀은 이론적으로 적외선 스텔스 기술에 사용하기 위해 금속 절연체 금속 구조를 갖는 이중대역 메타물질 흡수체를 제안하였다. 해당 분야에서 공액 고분자 기반의 IR 차폐 소재가 적용된다면 가시광 영역에서 투명하고 인체 혹은 물체에서 발산하는 IR을 차폐하여 은폐 기술로 적용이 가능하다(그림 11). 타 소재와 대비하여, 근적외선 차단뿐 아니라 Mid-IR 영역까지 우수한 차폐 능력을 나타내고 우수한 가시광선 영역 투과율 확보가 가능하여 투명성을 요구하는 새로운 분야에 활용이 가능하다. 뿐만 아니라 친환경 수분산 용액공정과 간편한 습식공정으로 제조가 가능하며, 다양한 기재에 적용이 가능하다.• 연세대학교 한재원 교수팀레이저 광을 완전히 흡수하는 표면을 제작해 미사일을 유도하는 산란광 발생을 억제하는 메타물질을 제조하였다. 물체에서 방출되는 적외선 분광을 선택적으로 조절해 검출기에 탐지되는 신호도 대폭 줄일 수 있다.• 연세대학교 조형희 교수팀나노 디스크 모양의 금속-절연체-금속 구조를 가지는 적외선 메타물질 흡수체를 이용하여 적외선 대기 흡수창인 5∼8μm 대역에서 파장 선택적으로 흡수 및 방사하도록 설계 및 제작하였다.• 한국기계연구원 나노공정연구실적외선 메타물질 흡수체를 적용하여 고성능 분자 센서 및 적외선 열화상 카메라에 적용되는 비냉각 마이크로 볼로미터(Microbolometer)의 성능을 향상시킨 결과를 보고하였다.4. 시장 전망2019년 Fortune Business Insight 조사에 따르면, 세계 스마트 윈도우 시장 전체 규모는 2023년 기준 56억$에 달하는 것으로 보고되었으며, 이 중에서도 ECD와 PDLC가 차지하는 비율은 전체 50% 이상이다(그림 12, 13). 이처럼 스마트 윈도우 디스플레이에 대한 과학적, 기술적 관심이 증가함에 따라 적용 가능한 소재에 관한 연구의 중요성도 크게 확대되고 있는 실정이다.세계 농업용 필름 시장이 2016년 91.3억$에서 2021년 125.1억$로, 연평균 6.5%로 성장 중이다(그림 14). 현재 세계 시장 중 아시아 시장이 수요가 가장 높으며, 시장은 10조 원($7.8억) 이상으로 매년 약 7.18% 성장 중이다. 우리나라 시장은 농업용 필름이 2017년 7,300만$이며, 2022년에는 9,840만 달러에 이를 것으로 전망된다. 또한, 온실용 필름은 2017년 5,460만$에서 2022년에는 7,260만$에 이를 것으로 전망된다.세계 윈도우 필름 시장은 2018년 15.9억$ 규모로 이후 연평균 4.7%의 성장률 나타낸다. 2022년에는 19.1억$의 시장 규모를 형성할 것으로 전망되며, 윈도우 필름 시장은 녹색 건물과 제로 에너지 빌딩에서의 사용이 급증하면서 건설 부문의 소비가 증가할 것으로 예상된다(그림 15). 특히 국내 시장은 정부의 지속적인 저탄소 정책 추진으로 공공기관(학교 등) 중심으로 건축용 윈도우 필름 적용이 확대될 전망이다. 또한, 민간 분야에서도 에너지 절감을 위해 점진적으로 구매 규모가 늘어날 것으로 예상된다. 국내 윈도우 필름 시장은 2017년 기준 983억 원 규모로 연평균 35.0%의 성장률을 보이며, 2021년에는 3,265억 원의 시장 규모를 형성할 것으로 예상된다.5. 결론현재 시장에서 지배적으로 통용되는 핵심 소재들은 거의 대부분 독일, 일본 등의 해외 기업 제품으로 세계적인 경쟁력을 갖는 소재 원천 합성 기술을 확보하는 것이 중요하다. 기존 소재를 대체하기 위해서 새로운 소재에 대한 검증을 위해 신뢰성 평가와 여러 제품 분야의 적용 평가 기회가 마련이 되어야 하기 때문에 끊임없는 연구개발과 지속 가능한 투자와 노력이 필요하다.특히, 에너지 절감을 위한 투명 스마트 필름 기술 분야에서 가시광선 영역의 투과도 제어 기술과 동시에 자외선, 적외선 영역에서의 선택적인 투과/차단 특성 제어가 필수적으로 요구된다. 전기변색 스마트 필름의 경우, 저 전력으로 구동할 수 있으며, 최종적으로 유연한 필름 형태로 디바이스를 제조하여 Roll-to-Roll 대면적 공정 적용이 가능하다면 우수한 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.최근 급변하는 환경 이슈에 대한 수요 기술 및 시장에 대응하기 위해서는 메가트렌드에 적합한 소재 원천 합성 기술을 확보해야 하며, 핵심 소재를 다양한 분야에 접목하여 새로운 패러다임을 제시할 수 있어야 한다. 선도적인 역할을 수행할 수 있도록 수요 기술에 대한 정확한 이해와 소재 합성 기술 이외의 디바이스 적용 시 가공 기술, 신뢰성, 경제성 등 다양한 분야에서 노력이 중요하다.
편집부 2022-07-26
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자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근1. 성형기술의 중요성위 그림에서 보는 것처럼 사출성형 기술은 여러 가지 광범위한 지식과 기술이 모여 사출성형 기술이라는 하나의 기술이 완성되는 종합적인 기술의 집약체이다. 그리고 이와 같은 기술의 집약체를 통해 성형품이라는 결과물로 도출된다. 따라서 어느 한 과정에서 발생하는 문제점은 품질에 영향을 줄 수 있다. 따라서 모든 성형 기술자는 성형기술의 기본적인 부분을 이해하고 성형을 하여야 한다. 2. 성형조건의 5대 요소위 표의 요인은 상호에게 영향을 주어 모든 조건을 임의로 설정하는 것은 곤란하다.3. 사출 속도사출 속도는 수지의 유압 속도를 조정한다. 사출 속도 조정을 통해 성형품 표면의 불량 현상(젯팅, 플로우 마크, 웰드라인) 등을 해결할 수 있다.4. 사출 압력(Injection Pressure)스크류 선단의 수지에 작용하는 최대 압력을 말한다. 유압식의 경우 스크류 전체에 작용하는 유압의 힘(사출력)을 스크류 단면적에서 뺀 이론치로 표시된다. 스크류 직경을 바꾸는 것은 직접 사출 압력을 바꾸는 것이 되므로 스크류 직경을 가늘게 하여 사출 압력을 높게 하는 경우 사출 용량, 사출률, 가소성 능력의 감소를 고려해야 한다.5. 이론 사출량과 실 사출량사출성형을 하기 전 이론 사출량과 실 사출량을 알고 있으면 편리하다. 계량량을 예측할 수 있고 가상의 성형조건을 설정할 수 있다. 이론 사출량과 실 사출량 수식과 수지별 상수는 사출기 선정의 이론 사출 용량을 구하는 공식은 아래 표와 같이 구할 수 있다.1) 다단 사출이란?압력, 속도, 위치를 2단계 이상으로 조건을 설정하여 수지를 금형에 밀어 넣는 것을 뜻한다. 압력, 속도, 위치가 2단계 이상이면 다단 사출이라 할 수 있다.2) 위와 같이 조건을 나누어 설정하게 되면, 불량이 나타나는 구간을 나누어서 불량을 해결할 수 있다. 제품에서 문제점이 되는 Point가 몇 군데인지 파악하여 단계가 최소 2~최고 10단계까지도 설정할 수 있으며, 불량이 있는 구간을 나눈 후 구간의 속도와 압력을 조정하여 불량을 해결할 수 있다.(사출 단계 및 화면의 구성은 각 성형기의 모델과 제조사에 따라 다를 수 있음)3) 다단 사출 구간 설정 방법사출(충진)의 단계에서 제품의 두께, 형상, 수지의 종류에 따라 다르지만 95~98% 정도를 성형시킨다. 사출 구간에서 100% 성형하는 것은 바람직하지 않다. 이러면 경우에 따라 오버 패킹, 잔류응력 등으로 휨, 뒤틀림, 백화 등의 불량이 발생할 수 있다.① 1단 사출 : 게이트 전(캐비티 내 수지의 충진성을 위해 중고속으로 사출)계량을 완료하고 게이트 앞쪽까지 사출을 진행하는 것으로 속도와 압력은 50% 이상으로 설정을 하는 것이 좋다. 스프루와 런너에서 나올 수 있는 불량이 없기에 빠르고 조금 높은 압력을 사용하여도 무방하다.② 2단 사출 : 게이트 후(젯팅, 게이크 마크 방지를 위해 저속으로 사출)2차의 위치는 게이트를 지나서 조금 사출될 정도의 거리를 찾는다.2차 사출은 대부분 저속으로 사출을 하여야 되기 때문에 정밀도 높은 제품은 1차와 2차의 위치를 최소로 하는 것이 좋으며 일반적인 제품은 1차와 2차의 위치의 범위를 넓게 하는 것이 양산 시 재현성에 문제가 없다.③ 3단 사출 : 성형품 80~90%(웰드. 플로우 마크, 방지를 위해 중고속으로 사출)사출 단계는 제품을 80~90% 정도를 사출한다. 이는 규정된 것은 없으며 성형품의 모양, 불량 등 다양한 요인에 따라 변할 수 있으므로 제품의 형상과 불량을 잘 파악하고 사출을 진행하여야 한다.④ 4단 사출 : 성형품 95~98%(Gas 몰림으로 인한 탄화 방지를 위해 저속으로 사출)사출 단계를 4단으로 늘리고 성형품의 95~98% 정도 사출한다. 이때 사출되는 거리가 보압 절환점(V/P 절환점)이 된다. 성형품의 두께, 형상에 따라 4차에 사출되는 거리는 달라질 수 있으며 과패킹, 잔류응력 방지를 위해 사출로 100% 성형하지 않는 것이 중요하다.(미세하거나 매우 얇은 성형품 또는 사출기 압력이 부족한 경우는 100% 성형하기도 함) 이와 같은 방법으로 다단 사출을 진행하여 각각의 위치를 찾게 되면 불량이 나타나는 구간의 속도와 압력을 조정하여 불량을 해결할 수 있다.아래 그림은 사출(충진) 구간의 사출 속도를 위치별로 표시한 것이다.⑤ 보압 설정하기수지가 용융 상태에서 냉각되면서 수축이 발생하게 되는데 이 수축량을 보상하기 위해 압력이 필요한데 이걸 보압이라 한다.보압은 속도로 제어하는 구간(사출, 충진)에서 압력으로 제어하는 구간(보압)이다.보압도 3차까지 설정을 하는데, 1차 보압은 저압으로 설정 스킨층 형성(Burr에 대한 대책) 2차 보압은 1차 보압 보다 압력은 높게(수축, 치수 해결) 설정한다. 3차 보압은 2차 보압 보다 낮게 설정하여 게이트 Seal까지 압력 유지, 뒤틀림, 과패킹, 잔류응력 방지를 위해 저압으로 설정한다.
편집부 2022-06-12
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Ⅰ. 서론2021년 말 대한민국의 전기차와 수소차 등 친환경 차량 등록 대수가 100만 대를 돌파한 가운데 대중교통 수단인 버스도 빠른 속도로 전기차로 진화하고 있다. 2025년까지 전기자동차는 113만 대(승용, 버스, 화물 등 누적)를 보급하고, 충전 기반시설(인프라)은 4.5 만기(급속충전기 1.5만기, 완속 충전기 3만기, 누적)를 확충할 예정이다. 다음 그림 1은 서울, 부산, 대전 전기버스의 운행 예를 뉴스 기사로부터 인용한 것이다. • “서울·부산은 전기버스 도시”이다. 2021년 서울을 달리는 전기버스는 총 392대이고, 부산시는 연말까지 전기버스 운행 대수를 263대로 늘릴 예정이다. 전기버스는 주행 시 질소산화물(NOx) 등 오염물질과 이산화탄소 등 온실가스가 발생하지 않는다. 기존 압축천연가스(CNG) 버스가 연간 1대당 이산화탄소 약 80.9t, 질소산화물 66㎏을 배출하는 점을 고려하면, 한 단계 업그레이드된 ‘그린 모빌리티’ 수단이다. 1대당 연간 약 1,260만 원의 연료비를 절감하는 효과도 있다고 한다.• 서울~인천을 오가는 2층 전기버스 2021년 4월부터 2층 전기버스를 인천시 연수구와 서울 삼성역을 연결하는 광역버스 노선을 운행 중이다. 최대 70명이 탈 수 있는 2층 전지버스는 384kWh의 대용량 배터리를 적용해 환경부 인증 기준으로 1회 충전 시 최대 447km를 운행할 수 있다.• ‘무선 충전 버스 대전 시내 누벼’2021년 10월부터 대전에서는 무선 충전 방식의 전기버스(올레브)가 운행을 시작했다. 올레브는 온라인 전기자동차(On-Line Electronic Vehicle)의 약칭이다. 올레브는 1시간에 150㎾를 충전해 150㎞를 주행할 수 있다. 대덕 특구 순환노선에서는 버스 기사가 쉬는 시간인 20분 동안 50㎾를 충전해 23.5㎞를 달린다고 한다. 마을버스 성격인 올레브는 KAIST~대덕 특구 출연연~도시철도역 등을 순환 운행한다. 전기자동차가 승용차 상용화를 시작으로 전기버스도 본격적인 상용화 시대가 도래한 것으로 보인다. 이에 따라 리튬이온 전지 시장도 본격적으로 상승세를 맞이할 것으로 보인다. 본 리튬이온 전지의 심층 보고서에서는 리튬이온 전지 및 관련 소재산업의 전반적 현황 및 미래기술 동향으로부터 리튬이온 전지 관련 종사자의 시장 선점 노력을 소개하고자 한다. 리튬이온 전지의 시장과 소재(1편~2편), 리튬이온 전지의 제조와 성능향상(3편~4편)으로 나누어 전체 4편의 리뷰로 리튬이온 전지의 시장동향과 요구사양, 셀 제조기술과 성능향상, 소재 로드맵, 전지의 에너지형과 파워형 설계 디자인(핸들러 2022년 2월호 테크&솔루션 p129~142 참조), 그리고 전지 시스템의 안정화를 위한 전지팩 기술 로드맵에 관한 전반적 내용을 소개하고자 한다. 4편은 전기자동차용 리튬이온 전지 시스템과 안정성 확보를 위한 전지팩 로드맵을 주제로 전기 자동차용 전지 시스템과 구동 연계, 리튬이온 전지 모듈 및 팩의 주요 개발내용을 조사하였다. 자세하게는 전기 자동차용 전지 시스템과 구동 연계, EV용 전지팩의 적용 사례와 실제 리튬이온 전지 성능 스펙을 예시하여 현재 전지 성능과 특성을 알아보았다. 또한, 전지의 지속 가능한 성능 발전을 위하여 전지 모듈과 팩 제조를 위한 기술 로드맵을 중심으로 리튬이온 전지 시장의 지속 성장과 전지 시스템의 안정화 관점에서 조사하였다.Ⅱ. 리튬이온 전지의 열관리 특성표 1에 18650 원통 셀을 이용한 리튬이온 전지의 열관리 특성을 나타내었다. 리튬이온 전지는 (1) 저온에서 전극 활물질 활성도와 리튬이온 확산계수가 낮아짐으로써 전지 성능이 급격하게 저하하며, 극한 상황에서는 전해질의 동결로 인하여 가동이 불가능해질 수 있다. 또한, 리튬의 석출(플레이팅, plating)로 인해 충전용량이 상당히 저하될 수 있고, 덴드라이트(dendrite) 성장으로 분리막이 관통되면 내부 회로의 단락(short circuit)이 발생하여 큰 발열로 전이될 수 있다. 실제 저온에서 영향 평가한 실험에서는 외부온도가 상온에서 -20℃로 변화할 때, 동일한 방전 조건에서 에너지가 27% 정도 감소함을 보였다. 리튬이온 전지가 (2) 고온에 노출될 때 저온에서와 유사하게 용량 감소(capacity fade)와 전력 손실이 발생한다. Sony 18650 셀을 이용하여 상온에서부터 55℃까지 온도를 변화하며 충·방전 사이클에 따른 용량 변화를 분석한 실험에서는 500회 충·방전 시 상온에서 22.5%, 55℃에서는 70.56% 용량 감소를 보고하였다. 최근 다른 보고에 의하면, 전기 자동차용 리튬이온 전지는 영하의 온도에서 성능이 급격히 떨어진다. 전지의 최적 성능을 유지할 수 있는 25℃를 기준으로 전지 온도가 -20℃와 45℃일 때, 전기 자동차의 주행거리는 각각 33%와 1.8% 감소하였다. 고온 환경에서 전지 사용 시 연쇄 발열 반응으로 인해 발생하는 열 폭주(thermal runaway) 현상은 발화 및 폭발과 같은 심각한 사고를 유발할 수 있다. 각형 리튬이온 전지를 이용한 열 폭주 거동 실험에서는 최대 온도가 870℃에 도달하는 것으로 보고되었다. 리튬이온 전지 사용 가능 온도는 0~60℃이지만, 최적의 성능을 위해서는 15~40℃ 사이에서의 가동이 권장된다. 따라서 온도에 따른 성능 감소와 심각한 사고를 예방하기 위해서는 리튬이온 전지가 적절한 온도 범위 내에서 반드시 가동 및 보관되어야 하고, 이를 위해 리튬이온 전지팩 시스템의 적절한 열관리 시스템이 추가되어야 한다. Ⅲ. 전기 자동차 구동과 전지 시스템1. 리튬이온 전지 형태 및 점유 현황리튬이온 전지의 가장 작은 단위는 셀이다. 전기를 충·방전하며 에너지를 효율적으로 관리할 수 있는 리튬 이차 전지는 형상별로 원통형, 각형, 파우치형의 각 용기에 양극과 음극, 전해액과 분리막이 겹겹이 쌓여있는 구조로 그림 2와 같이 되어있다. 셀의 형태에 따른 장단점, 그리고 전지 제조(사)와 전기 자동차 브랜드는 표 2와 같다. 파우치형은 생산성이 다소 낮지만 에너지 밀도가 높고 열관리가 쉬운 장점을 가지고 있으며, LG화학, SK이노베이션이 생산하고 GM, 현대기아차, 닛산, 르노 등이 사용하고 있다. 전체 리튬이온 전지에서 파우치형 전지의 점유율은 2012년에 23.6%에서 2020년에 51.8%를 차지하여 증가 추세이다. 원통형은 LG화학, 파나소닉이 생산하며 자동차에서는 테슬라만이 채용하고 있다. 에너지 밀도가 떨어지는 단점 때문에 2012년에 약 40%에서 2020년에 약 20%로 감소하였다. 2. 전기 자동차 구동 전기 자동차에는 기존 자동차의 가장 중요한 부품인 엔진과 변속기가 없다. 대신, 전기 자동차 구동은 구동 모터와 감속기에 의해 동력을 발생시킨다. 전기는 전지 시스템에 의해 제공되고 전지 온 보드 차저, 통합전력제어 장치로 구성된다. 이들은 모두 전지의 전력으로 모터를 구동한다. (그림 3 참고)• 구동 모터 구동 모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴린다. 모터를 구동 장치로 사용하며 얻는 장점은 다양하다. 일단, 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 매우 적다. 전기 자동차의 파워트레인은 연소 엔진보다 크기가 작아 공간 활용성을 높이는 데 매우 유리하다. 구동 모터는 발전기로도 활약한다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 전지에 저장할 수 있다. 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지로 감속하는 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 만들어 낸다. 이는 회생제동 시스템이라고 한다. 현재 일부 전기 자동차에는 회생제동을 단계별로 조절할 수 있는 장치가 마련되어 있다. • 감속기 감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기이다. 모터는 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아닌, 회전수를 하향 감속해야 한다. 감속기는 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기 자동차가 더 높은 회전력(토크)을 얻을 수 있도록 한다. (내연기관의 변속기 역할)3. 리튬이온 전지 시스템전기 자동차용 전지 시스템은 (1) 에너지원인 전지 셀, (2) 전지 셀을 외부의 충격과 진동으로부터 보호하는 기계적 구조물, (3) 전지 셀의 작동 시에 발행하는 열을 배출하고 외부의 영향을 차단하여 전지 셀을 열적 위험으로부터 보호하는 열관리 시스템, (4) 전지의 충전과 방전을 제어하고 전지를 보호하는 전지 관리 시스템(battery management system, BMS) 등으로 이루어진다.• 전지(팩) 전지는 전기 에너지를 저장하는 부품으로, 내연기관차의 연료탱크와 연료에 해당한다. 전기 자동차의 주행거리는 보통 전지용량이 클수록 주행거리도 늘어난다. 그러나 전지용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않다. 전지가 차지하는 부피와 무게 때문이다. 큰 전지를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어진다. 따라서 전기 자동차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 전지 에너지 밀도를 높여야 한다. 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 한다. 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어서 전기 자동차 생활은 한층 더 편리해진다. 최근 출시된 전기 자동차는 전지 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아졌다. 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기 자동차보다 크게 늘었다. 기아자동차 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 전지를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있다(국내 인증 기준). 전지 수명도 크게 개선되었다. 전기 자동차의 리튬이온 전지는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데, 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 전지 내구성에 대한 걱정은 필요 없다. 통상적으로 전지 전력을 100% 방전될 때까지 주행하고 다시 충전하는 경우라면 1,000회, 전지 전력 50%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 5,000회, 전력 20%를 사용하고 다시 충전하는 경우라면 8,000회까지 전지 사용이 가능하다. 따라서 쏘울 부스터 전기 자동차를 하루에 약 77km(전력 20% 사용 시)를 운행한다고 가정하면 8,000일(약 22년) 동안 전지 교체 걱정 없이 차량을 사용할 수 있다는 계산이다.• 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)전지 관리 시스템(이하 BMS)은 이런 수많은 전지(셀)를 하나의 전지처럼 사용할 수 있도록 관리한다. 전기 자동차 전지는 수십에서 수천 개에 이르는 셀로 이뤄져 있는데, 각 셀 상태가 비슷해야 전지 내구성과 성능이 최적 컨디션을 유지할 수 있다.BMS는 전지와 일체형으로 설계되는 경우가 많으며, 통합 전력 제어장치(EPCU)에 포함되기도 한다. 셀 충전 및 방전 상태를 감시하고, 전지에 이상이 감지될 경우 릴레이(특정 조건에서 다른 회로를 개폐하는 장치)를 통해 자동으로 전지 전원을 잇거나 끊기도 한다. • 전지 히팅 시스템 전지는 낮은 온도에서 충전량이 감소하며 충전 속도가 느려진다. 전지 히팅 시스템은 전지를 최적 온도로 유지시켜 동절기 성능 저하를 예방하고 주행거리를 확보하는 장치이다. 또한 충전 시에도 적정 온도를 유지해 충전 효율성을 높인다. • 온 보드 차저(On Board Charger, OBC)전지에 충전을 하는 장치이다. 온 보드 차저는 완속 충전을 하거나, 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치이다. 참고로 급속 충전은 직류를 이용한다. • 통합 전력 제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU) 통합 전력 제어장치는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC, VCU로 구성되어 있고 각각의 역할은 다음과 같다. - 인버터(Inverter): 인버터는 전지의 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치이다. 내연기관 변속기와 같은 역할로 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기 자동차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. - LDC(Low voltage DC-DC Converter): LDC는 전기 자동차의 고전압 전지 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치이다. 고전압 전지는 높은 전압을 사용하지만, 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 반드시 필요하다. - VCU(Vehicle Control Unit): VCU는 EPCU에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워에 해당한다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장하고 제어한다. 4. 전기 자동차의 리튬이온 전지용량 예 최근 주목받고 있는 전기 자동차의 전지용량, 모터 출력, 주행거리를 그림 4에 정리하였다. 쉐보레 볼트는 전지용량은 60kWh이고, 주행거리는 383km이다. BMW i3의 전지용량은 33.2kWh이고, 주행거리는 300km이다.국내에서는 현대차 아이오닉, 기아차 SOUL 등이 양산되고 있고, 하이브리드를 고수하던 일본도 전기 자동차 개발에 박차를 가하고 있다. 고성능 전기 자동차로 주목받고 있는 테슬라 모델-S 제원은 다른 제조사에 비해 가격보다는 성능에 초점을 맞춘 것을 알 수 있다. 현대기아차와 테슬라는 아이오닉5와 모델Y 등 73~75 ㎾h 용량의 전지를 장착해 한번 충전으로 450~511㎞ 이상 주행이 가능한 전기 자동차를 2021년 초에 선보였다. (핸들러 2022년 2월호 테크&솔루션 p130 표 1 참조)5. 국내 제조사 리튬이온 전지 제품 사양 예 소형, 중형, 대형 용량(26~200Ah)의 리튬이온 전지 제품 사양을 표 3~표 6에 나타내었다. 제품 사양으로 공칭전압, 에너지 밀도(비용량), 내부저항, 규격, 중량 등을 확인할 수 있다. 제품 사양을 통하여 충·방전 시간, 온도 환경을 확인할 수 있으며, 셀 크기, 사이클 수명 등도 확인할 수 있다.Ⅳ. 리튬이온 전지 모듈 및 팩영국자동차협회는 2021년 1월 리튬이온 전지 보고서를 발간하였다. 리튬이온 전지 소재개발과 전지팩 제조 관련하여 기술적 지표와 함께 중장기적으로 달성할 기술 로드맵(2020년~2035년)을 발표하였다. 주로 전지의 셀, 모듈과 팩 제조기술 지표와 로드맵을 소개하였다.1. 리튬이온 전지 셀과 팩 기술지표 (에너지 중심 및 원가 민감형) 셀은 전지의 가장 작은 단위이고, 모듈(Module)은 셀을 외부 충격, 진동, 열 등으로부터 보호하기 위해 하우징에 넣은 전지 집합체이다. 팩(Pack)은 전기자동차에 장착되는 전지 시스템의 최종 형태이고, 제어기, 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 전지 모듈과 통합하여 완성된다. 블룸버그 통계에 따르면, 그림 5와 같이 2013년부터 2020년까지 리튬이온 전지(셀) 가격은 668$/kWh에서 137$/kWh로 급격하게 감소하였으나, 자동차용 전지로 사용하기에는 여전히 고가이다. 한편 영국자동차협회가 발표한 성능지표 및 원가를 살펴보면, 시장의 경쟁 환경에서 전지 산업이 달성할 기술지표는 표 7과 같다. 리튬이온 전지 팩의 비용량을 보면 2020년, 185Wh/kg에서 2035년에 275Wh/kg으로 비약적으로 증가할 것으로 예상하고 있다. 충전 시간을 보면 2020년 약 45분에서 2035년 15분으로 단축되고 있다. 영국자동차협회는 2020년 팩의 OEM 가격은 셀 가격 85$/kWh에 패킹가격 40$/kWh을 더하여 125$/kWh로 제시하였다. 블룸버그 통계치는 셀 가격 102$/kWh에 패킹 단가 35$/kWh을 더하여 137$/kWh로 12$/kWh 정도 단가가 더 높다. 패킹 단가는 비슷하지만 셀 가격이 17$/kWh 더 높게 나타나, 셀 단가는 더 낮아질 수 있는 여지를 보인다. 또한, 팩 단가를 2020년 125$/kWh에서 2035년에는 65$/kWh로 낮추는 지표를 제시하고 있다. 이는 리튬이온 전지용 셀 소재 및 제조공정의 단가를 혁신적으로 더 낮추어야 한다는 결론이다. 대안으로는 혁신적으로 비용량이 높은 양극재를 개발하고, 소재와 공정에 대한 글로벌 표준을 제안하고 규모의 경제와 함께 소재와 셀의 재활용 등을 준비할 때이다.표 7에서 과도방전전력밀도(Transient Discharge Power Density(W/kg))는 셀이 끌어낼 수 있는 최대 전력을 나타낸다. 전이방전은 <10초 25℃ 및 50% SoC로 정의된다. 충전율(C-rate)은 전지 팩 충전과 방전 속도의 척도이다. 2035년의 4C rating은 전지팩이 15분 안에 완전히 충전되는 것을 기대한다. 에너지 밀도는 셀과 팩 모두 적용되며 체적 및 중량으로 측정된다. 원가는 셀 및 팩의 OEM 구입 가격을 나타낸다. 참고로 에너지 및 전력 밀도의 셀 대 팩의 추정 비율은 다음과 같다. 2020년에 65%(예: 1100W/kg(셀) × 65% = 715W/kg(팩)), 2025년 70%, 2030년 75%, 2035년에 80%이다.2. 리튬이온 전지(모듈 및 팩) 로드맵 (출처: 영국자동차협회) 영국자동차협회에서 발간한 리튬이온 전지 보고서에는 셀과 팩에 대한 로드맵에 대하여 리튬이온 전지의 셀 디자인, 전기분배 시스템, 열, 기계적, 팩 통합, 수명 사이클 및 모듈 및 팩의 수명 주기 등에 대한 로드맵으로 그림 6과 같이 세분하였다. 리튬이온 전지팩을 안전하게 사용하기 위해서는 셀 제조 이후에도 전지 시스템 운영을 위한 배전 및 열관리, 보호 관리 등이 부가되고 있음을 알 수 있다.전기 화학반응에 의한 전지 발열의 요인에는 분극 현상에 의한 반응열, 저항에 의한 Joule 열, 그리고 엔트로피 열 등이 있다. 여기에서는 발생 열의 처리 혹은 극한 환경에서 전지 시스템 내부의 열 물성(비열, 전도도, 밀도 등)과 작동조건(충·방전 속도, 외부온도 등)의 영향을 효과적으로 대처하는 기술들이 필요한 것으로 보인다. 3. 모듈 및 팩 로드맵(그림 6): 기술 분야별 개요 및 주요 개발내용 • 셀 형식 및 설계규모의 경제를 지원하기 위해 점점 더 표준화되면서 다양한 차량 요구사항을 충족하도록 특화될 것이다.- 대량 제조를 위한 통합 셀 형식 모듈- 새로운 셀 형식 및 특성(예: 탭리스, 현장 계측, 열 유량 및 접합 개선 등) • 전지 관리 시스템(Battery Management System: BMS, 하드웨어 및 소프트웨어 포함)전지 셀 및 모듈의 전력 손실을 최소화하면서 지능적으로 분배되도록 한다. 이는 향상된 전지 관리 시스템, 버스 바(예, 공통 전극) 및 커넥터를 통해 달성할 수 있다. - 400V 및 800V 아키텍처의 광범위한 채택, 새로운 1200V 아키텍처- 과거 데이터를 이용한 BMS 업그레이드, 물리학 기반 SoH 및 SoC 셀 추적이 가능한 BMS, 자가 업데이트 알고리즘, 현장 데이터를 사용하는 AI 지원 BMS- 원격측정 지원 BMS 아키텍처, 차량 오프라인 업데이트 및 실시간 모니터링- 차세대 컨택터/커넥터(예: 솔리드 스테이트)- 원가 및 중량 감소 버스 바, 전도도가 향상된 정형 다중 재료 버스 바• 열(열 전파를 포함한 냉각, 가열 및 열 재료) 관리 시스템 전지 팩의 상태를 유지하는 데 매우 중요하다. 열을 관리하고 저온 및 고온의 영향을 완화할 수 있도록 향상된 능동 냉각 또는 가열 시스템으로 전지 셀을 가열 및 냉각할 수 있다.- 능동적 열관리(통합된 비용 효과적 시스템), 대량용 수중 냉각- 다중 재료 냉각 플레이트, 고전력 셀을 위한 새로운 열 제거 재료 및 수동 냉각 방법- 추운 기후에서 에너지 사용 절약 방법, 추운 기후에서 전지 온도를 유지하기 위한 열에너지 저장- 기존 열 인터페이스/접합 재료 최적화, 열 재료의 합리화 및 통합 - 화재 전파 감지, 예방 및 억제하는 방법/격리하는 방법• 기계적(예 구조) 요소모듈 및 팩의 무결점에 기여하는 하우징 및 접합 기술이 포함된다. 전지 케이스와 구조체는 무게를 줄일 수 있는 중요한 요소이다. 반면 새로운 접합 공정은 셀 간의 견고한 접촉을 보장해야 한다.- 경량 전지 캐리어, 경량 다중 재료 팩 구조(폴리머 포함)- 대량 셀/모듈 접합 기술, 새로운 전기 연결• 팩 통합 및 제조에너지 저장 및 관리를 차량에 통합하는 새로운 방법을 모색한다. 더 넓은 차량에 에너지 저장장치를 내장하고 열관리 시스템을 통합하는 것이 중요한 핵심이다.- CTP(cell-to-pack) 전지(예: 모듈 삭제), CTC(cell-to-chassis) 전지, 구조형 전지(예: 차체 구조의 일부)- 팩을 전체 차량 열관리에 통합 - 실시간 인라인 테스트 및 검증, 대량 시장을 위한 가속 테스트 및 검증• 모듈 및 팩 수명 주기전지 모듈 및 팩의 탄소 집약도(에너지 소모 정도), 환경 영향, 자원 소비 및 재활용 가능성이 포함된다. 이러한 요소를 개선해야 만 전기 자동차가 진정으로 지속 가능한 솔루션이 될 수 있다.- 셀과 모듈에 헬스 패스포트 통합(예: RFID), 회복력을 갖는 전지 모듈 및 팩, 고장 감소- 모듈 및 팩 조립의 CO2 배출 감소, 에너지 효율적인 생산, net-zero CO2 생산 시스템- 수명 종료 관리 및 유연한 이차 수명 사용을 지원하는 팩 설계, LCA 중심형 모듈/팩 밸류 체인 - 분해를 고려한 설계, 재료 회수 기술(예: 기계적 분해, 가공), 모듈 및 팩에 대해 순환 경제 확립4. 열(열 전파를 포함한 냉각, 가열 및 열 재료)온도에 따른 성능 감소와 심각한 사고를 예방하기 위해서는 리튬이온 전지가 적절한 온도 범위 내에서 반드시 가동 및 보관되어야 하고, 이를 위해 적절한 열관리 기기 또는 시스템이 필요하다. 4.1. 능동 냉각 전략강제 공기 또는 수동 냉각은 저 방전율 전지 팩에 적합하지만, 고전력 응용이나 고속 충전에는 충분하지 않다. 고에너지 및 고전력 전지 팩의 경우 냉각 플레이트를 사용하는 물/글리콜 냉각수 시스템으로 전환하는 추세이다. 가장 두드러진 열 문제는 (열 방출을 통해 상당량의 에너지를 낭비하는) 150kW 이상의 급속 충전 시 발생할 것으로 예상된다. 잠재적인 전략은 전지 사전 냉각, 추가 냉각 파이프 및 팬 또는 냉각수요 최소화를 위한 충전전력 감소이다. 장기적으로 모터스포츠 분야에 사용되는 수중 냉각 개념이 자동차 부문에 활용될 수 있을 것이다. 수중(또는 침지) 냉각은 셀과 버스 바(공통 전극)를 직접 냉각하는 유체 냉각 액체로 구성된다. 이를 통해 버스 바 두께와 무게를 줄이고 셀을 균일하게 냉각시킬 수 있다. 그러나 냉각 루프 무게 및 복잡성과 유체 재료 원가 때문에 이 접근 방식은 고성능 차량에 더 적합하다. 4.2. 수동 냉각 활성화수동 냉각은 전지를 최적 온도로 유지하기 위해 히트 싱크, 히트 스프레더, 히트 파이프 또는 열 인터페이스 재료에 의존하는 에너지 효율적인 솔루션이다. 향상된 금속 매트릭스 복합 재료는 알루미늄 및 구리 냉각 플레이트와 비교하여 향상된 열전도율을 제공할 수 있다. 고 방전율 전지 팩이 시장에 진입함에 따라, 열을 즉시 방출할 수 있는 새로운 냉각 플레이트 재료가 필요하다. 위성 및 항공 우주 부문의 냉각 기술이 응용될 수 있지만, 자동차 부문에 적합하려면 공정 개선이 필요하다. 4.3. 전지 가열추운 기후에서 작동하는 전지는 상당한 열화를 겪고, 특히 BEV 버스와 같은 응용의 경우 HVAC 시스템의 추가 요구사항을 통해 상당한 스트레스를 받는다. 또한 전지 팩을 최적 온도로 가열하는 데 사용되는 에너지는 전지 자체에서 발생하므로 열 관리 시스템 에너지 사용량을 줄이는 것이 우선이다. 4.4. 열, 접착 및 접합 재료 합리화전지 모듈 및 팩에는 온도 및 구조적 무결성을 유지하기 위해 많은 열, 접착 및 밀봉 재료가 포함되어 있다. 접착 및 열관리 특성을 제공할 수 있는 다기능 재료는 전지 팩 내부의 습식 공정량을 줄이는 데 중요할 것이다. 이러한 새로운 수지와 재료는 수명 종료 규정을 준수하기 위해 재활용이 가능해야 한다. 4.5. 열 폭주 감지 및 방지리튬이온 전지 및 기타 전지 화학물질의 화재 위험을 이해하는 것은 차량 내의 안전한 사용과 제조, 보관 및 운송을 위해 필수적이다. 열 폭주는 압력 증가, 가스 및 미립자 배출, 화재 또는 최악의 경우 폭발을 유발한다. 빠른 속도로 실행할 수 있는 향상된 테스트 및 검증을 통해 예방 및 억제 전략을 개발할 수 있다. 열 폭주를 저지하거나 확산할 수 있는 새로운 재료 및 설계 기능에 관한 추가적 연구가 필요하다. 5. 모듈 및 팩의 수명 주기 및 수명 종료5.1 수명 전체에 걸친 추적 및 모니터링신뢰할 수 있는 데이터를 보장하기 위해, 무선 주파수 식별(RFID)은 BMS가 보유한 상태 데이터를 보완하는 하나의 방법이다. BMS에는 일정 수준의 중복이 있지만, RFID는 생산 및 생산지에 대한 추가 데이터를 보유할 수 있다. 5.2 이차 수명을 가능하게 하는 전지 팩 설계일정 기간 사용한 전기자동차용 전지의 재활용은 매력적인 옵션이 될 것이다. 주택, 그리드 밸런싱 및 상업 건물용 전기저장 장치 등에 전기 자동차용 전지의 재활용 방안은 매우 의미가 있을 것이다. 지속적으로 새로운 셀을 만드는 것보다 셀을 재사용하는 것이 환경적인 면에서 매우 매력적인 대안이 될 수 있다. 전지 팩의 기계식 설계를 단순화하면 재사용 가능한 모듈과 셀을 쉽게 추출할 수 있다. 이를 통해 재처리 비용을 줄이고 채택 가능성을 높일 수 있다. 마지막으로 전압, 전류 및 전지 상태를 정확하게 기록하고 시간 경과에 따라 성능을 수집할 수 있는 표준화되고 투명하고 충실도가 높은 BMS 데이터도 필요할 것이다. 5.3 전지 셀 추출 실현전기 자동차용 전지가 이차 수명용으로 성공적으로 상용화되는지 여부에 관계없이 전지는 결국 재활용해야 한다. 전지 팩은 일반적으로 사용 단계에 맞게 설계된다. 실란트, 접착제 및 기계적 구조는 주행가능 거리, 성능 및 안전성을 극대화하도록 맞춤화된다. 전지를 효과적으로 재활용하려면, 구조가 단순한 전지 팩을 설계하고, 재활용 불가능한 접착제와 실란트를 제거하며 간단한 자동화 공구(인간 노동이 아닌)를 사용하여 전지 팩의 기계적 분해를 가능하게 하는 것이 최우선 과제이다. 전기 화학반응에 의한 전지 발열의 요인에는 분극 현상에 의한 반응열, 저항에 의한 Joule 열, 그리고 엔트로피 열 등이 있다. 여기에서는 발생 열의 처리 혹은 극한 환경에서 전지 시스템 내부의 열 물성(비열, 전도도, 밀도 등)과 작동조건(충·방전 속도, 외부온도 등)의 영향을 효과적으로 대처하는 기술들이 필요하다. 리튬이온 전지팩을 안전하게 사용하기 위해서는 셀 제조 이후에도 전지 시스템 운영을 위한 배전 및 열관리, 보호 관리 등이 필수적으로 부가되어 전지의 안전성을 관리하여야 한다. 영국자동차협회에서 발간한 리튬이온 전지 보고서는 셀과 팩에 대한 로드맵에 대하여 리튬이온 전지의 셀 디자인, 전기분배 시스템, 열, 기계적, 팩 통합, 수명 사이클 및 모듈 및 팩의 수명 주기 등에 대한 로드맵으로 세분하여 기술 로드맵을 참고하면 관련 전지 관리기술에 도움이 되기를 기대한다.리튬이온 전지의 본격적인 대중화를 위해서는 전지팩 제조단가를 현재의 125$/kWh에서 2035년 1/2 이하 수준인 65$/kWh으로 낮추어야 한다. 이에 대한 대안으로 첫째, 비용량이 높은 양극 및 음극 소재 개발이 필요하다. 둘째는 현 리튬이온 전지 제조공정의 단순화 및 자동화를 위한 제조공정 혁신이다, 마지막으로, 사용 후 성능이 다소 낮아진 전지팩의 2차 활용과 관련 소재의 재활용이다. 이는 제조산업의 친환경 정책과도 잘 맞는 부분이다.정부는 2021년 7월, 2030 이차 전지 산업(K-Battery) 발전전략을 발표하였다. 리튬이온 전지 관련 기업들뿐만 아니라 산학연관 협력에 의한 기술개발의 장을 마련하고 있으며, 전지 산업 밸류체인 형성을 위하여 노력하고 있다. 한 분야에 명성과 신뢰를 쌓기는 어려워도 잃는 것은 한순간이다. 그동안 공들여 쌓은 리튬이온 전지의 국제적 선두자리를 잃지 않도록 모두 힘을 합하여 리튬이차전지 산업의 한계를 극복하고, 지속 성장하기를 바라는 마음이다. 주1) 리튬이온 이차 전지가 정식 명칭이지만, 본 원고에서는 리튬이온 전지(Lithum ion Battery: LIB)로 표기하였다.주2) 본 심층 보고서의 내용은 리뷰 자의 주관적 의견이고, 관련 회사의 공식 입장과 다를 수 있다.
편집 2022-06-12
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- 21일(목), 한국과학기술연구원-한국산업기술진흥협회 업무협약 체결- 기업의 혁신성장을 촉진한 기업 혁신성장 협의체 구성   한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 한국산업기술진흥협회(KOITA, 회장 구자균)와 4월 21일(목) KIST 서울 본원에서 혁신기업을 위한 업무협력 협약을 체결했다고 밝혔다.   KIST는 21일(목) 서울 성북구 KIST 본원에서 KOITA와 함께 양 기관 간의 혁신기업 성장을 위한 업무협약을 체결했다. (좌측) 마창환 KOITA 상임부회장과 (우측) 윤석진 KIST 원장이 협약서에 서명한 후, 기념촬영을 하고 있다.   두 기관은 이번 협약을 통해 혁신기업의 기술수명주기(EPKB)1) 분석을 통한 전략적 기술지원과 함께 인력·기술·인프라 등의 정보 교류로 혁신성장을 지원할 예정이다. 이와 함께 KIST의 축적된 우수한 연구역량을 활용하여 기업의 기술 애로 해결을 위한 채널을 확대하고 공동교육 프로그램 운영 등 산업계 기술혁신을 위해 노력한다고 밝혔다.또한 이번 협약식의 후속 사항으로, 두 기관은 「KIST-KOITA 기업 혁신성장 협의체」를 구성하고 기업의 혁신성장 촉진 사업을 기획, 운영하고 KOITA 회원사 대상 기술상담회 및 유망기술 설명회를 개최할 예정이다. 지속적인 사업추진을 위해 양 기관은 본부장급 이상 3명, 총 6명으로 구성된 협의회를 분기별 개최하는 안에 합의했다. KIST 윤석진 원장은 “KOITA와의 이번 협약을 통해 KIST의 우수한 기술을 산업계에 확산시키고, 산기협과 전략적 관계를 통해 산업계의 기술성장을 위해 지속적인 협력을 하겠다고”고 밝혔다.    
편집부 2022-05-11