녹색시대의 총아 2차전지, 차세대 전지 개발 경쟁 치열해지고 있다
모바일 기기를 주요 시장으로 하는 2차전지의 시장 규모 는 2010년에 13조 원대에 달했고, 앞으로 10년간 10배 이 상의 성장이 예상된다. 기존 모바일 기기용 전지 시장의 성 장은 둔화되겠지만, 전기자동차와 에너지 저장 시스템 부문 의 급격한 수요 확대가 전체 시장 성장을 견인할 전망이다.
매력적인 시장 전망 때문에 기존 전지 기업 외에도 다수 의 글로벌 기업들이 앞다투어 전지 시장에 진입하고 있다.
기존 전지 기업은 사업 참여 경험을 기반으로 새로운 시장 의 주도권을 잡으려 하고, 신규 진입 기업들은 새로운 전지 솔루션을 통해 시장의 틀을 바꾸고자 한다.
현재 시장에서는 2차전지의 한계로 지적되던 에너지 밀 도 상승의 한계, 안전성에 대한 불안감, 그리고 높은 원가 부담을 혁신하기 위한 수많은 전지 솔루션들이 쏟아져 나오 고 있다. 10배 이상의 에너지 밀도 상승이 가능한 금속공기 전지, 완벽한 안전성을 지향하는 전고체 전지, 대용량 에너 지의 저장에 적합한 차세대 나트륨계열 전지, 그리고 풍부 한 마그네슘 자원을 활용한 마그네슘 전지 등이 현재 대표 적인 차세대 전지로 주목받고 있다. 새로운 전지 솔루션이 시장에 안착하기 위해서는 오랜 기간의 시행착오가 필요하 겠지만, 시장의 절실한 요구와 기업들의 경쟁적인 연구 개
발 투자에 힘입어 예상보다 빠르게 등장할 가능성도 크다.
최근 리튬이온전지 산업에서 한국 기업이 선전하고 있 다. 한국 전지 기업의 차별적 강점은 공정 혁신을 통한 효율 적 생산, 규모의 경제에 의한 원가 경쟁력이다. 그러나 지속 성장을 가능하게 해주는 기초 소재 기술이나 차세대 전지 개발 역량은 많이 부족한 상황이다. 힘겹게 획득한 소형 2 차전지 시장의 주도권을 발판으로 소재 기술 혁신을 통한 차세대 전지 개발과 생산성 혁신을 위한 공정 기술 간의 균 형을 맞추는 것에 대한 고민이 필요한 시점이다.
(LGERI, 2011년 7월 19일)
그래핀 활용 에너지 저장소자 개발
경희대학교는 화학공학과 박호석 교수 연구팀이 나노물 질의 일종인 그래핀(Graphene)을 이용해 기존 소재보다 2배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 고성능 에너지 저 장 소자를 개발했다고 발표했다. 박효석 교수 연구팀은 그 래핀으로 에너지를 저장할 수 있는 전극을 만들고 이를 구 부 리 거 나 접 을 수 있 는 고 성 능 의 <Flexible Supercapacitor>를 구현하는 데 성공했다. 새로 개발된 에너지 저장 소자는 기존 소자에 비해 2배 이상의 에너지 밀도와 충전 속도를 보였고 휘어진 상태에서도 최고 성능
의 90% 이상을 유지하며 1,000번 이상 충전할 수 있다고 설명했다. 그래핀은 전자가 빠르게 이동할 수 있어 전도성 이 매우 좋고 강도 등 물리적 성질도 뛰어나 <꿈의 신소재>
로 각광받고 있다. 박효석 교수는“소형화와 경량화, 고용 량화가 필요한 이동통신 및 휴대용 전자기기 분야에서 신·재생에너지 저장 소자로 응용할 수 있을 것”이라고 설 명했다. 박효석 교수 연구팀의 논문 <그래핀 전극을 이용 한 고성능 Flexible Supercapacitor 개발>은 나노 분야 국제학술지 <ACS Nano> 온라인판에 게재됐다.
(화학경제연구원, 2011년 8월 30일)
뛰어난촉매활성을보여주는금속-반도체나노 결정
금속물질이 나노크기 정도로 축소된다면, 물질의 특성 은 종종 유용한 방향으로 변한다. 예를 들어, 일반적인 불활 성 금속(inert metal)은 금은, 원자 크기의 수 십 배 정도의 입자로 만들어지게 되면 활성 촉매(active catalyst)가 된 다. 그러나 이와 같은 이점은 금속 물질에만 적용이 된다.
그러나 금속과 반도체 결정을 결합시킴으로써, 순수한 금 속이 발휘할 수 없는 특성을 갖는 독특한 복합재료를 만들 어 낼 수 있다. 싱가포르의 과학기술청인 A*STAR 산하 바 이오나노기술연구소(Institute of Bioengineering and Nanotechnology, IBN) 소속의 Jackie Y. Ying 등은, 연료전지의 성능을 개선시킬 수 있는 금속-반도체 나노복 합재료를 개발하였다 (원제목: “ Nanocomposites of Ag
2S and Noble Metals” ). 나노복합재료는 금, 백금 및 오스뮴 등의 다양한 금속을 황화은 나노결정(silver sulfide nanocrystal) 상에 증착시킴으로써 만들어진다.
여러 종류의 금속을 연속적으로 나노결정 표면 상에 증착 시킬 수 있으며, 이로써 최종 복합재료의 촉매특성을 조절 하는 것이 가능해진다. 연구팀은 메탄올 연료전지 내에서 백금을 포함하고 있는 나노복합재료의 촉매성능을 측정하 였다. 메탄올 연료전지는 메탄올을 분해하여 전기를 생산 하는 전기화학 장치이다. Ying은 나노복합재료가 기존의 백금-탄소 anode 보다 뛰어난 성능을 발휘함을 발견하였 다. 오스뮴을 포함여부에 상관없이 황화은, 금 및 백금으로 이루어진 복합재료는 특이 더 뛰어난 성능을 보였다. 뛰어 난 촉매 성능을 보여주는 anode는 나노결정 상에 증착된
백금의 높은 표면적에 기인한다고 연구팀은 밝히고 있다.
이로써 MOR을 위한 더 넓은 전기화학적 활성표면을 제공
하여 줌과 동시에 나노복합재료 자체의 전자적 특성을 향 상시켜 준다. 황화은과 금으로부터 백금으로의 전자의 이 동은, 백금에서의 전자밀도를 크게 증가시키게 된다. 이로
써 MOR의 중간체인 일산화탄소의 생성을 억제함으로써,
일산화탄소가 백금에 부착되어 촉매를 오염시키는 것을 방 지하여 준다. (KISTI 미리안, 2011년 8월 22일)
LED조명으로 데이터 송수신
한국산업기술평가관리원(KEIT, 원장 서영주)에 따르면 IEEE는 미국 샌프란시스코에서 개최된 802.15 총회에서 VLC 표준 채택을 결정하고 다음달 중 문서로 배포할 계획 이다.
가시광통신은 발광다이오드(LED)의 조명장치에서 발 산하는 빛(가시광)을 이용해 데이터를 무선으로 송수신하 는 통신 기술로 LED조명장치의 본연의 역할인 조명기능 에 통신기능을 부가한 것이다. 이 기술을 활용하면 LED조 명 기구나 휴대전화의 빛을 이용해 데이터를 전송할 수 있 다. 예를 들면 버스정거장 주변의 가로등에서 나오는 빛을 휴대전화에 비추면 노선정보 및 버스 시간표와 같은 정보 를 제공할 수 있다. KEIT의 오대곤 박사(LED/광 PD)는
“이번에 개발된 기술은 LED조명의 부가가치를 높일 수 있 고 새로운 시장을 창출할 수 있는 신기술”이라며“특히 이 번에 국내 주도의 표준개발은 오는 2020년경 300조원에 이르는 본격적인 LED시장에서 주도권을 확보하는데 큰 도움이 될”것이라고 밝혔다.
(디지털타임스, 2011년 8월 22일)
스탬프 방식의 새로운 습식 에칭방법
넓은 영역에 걸쳐서 나노 패턴을 균일하게 형성하는 것 은 매우 까다로운 공정이다. 이번에 하향식 방법과 상향식 방법을 결합한 새로운 방법으로 넓은 영역에서 나노구조체 를 균일하게 형성할 수 있는 새로운 기술이 개발되었다. 리 소그래피 에칭기술(LCE)을 통해서 단일 공정으로 정밀한 나노구조체를 형성할 수 있게 되었다. 이번 공정을 통해서 넓은 영역에 걸쳐 균일한 패턴을 만들 수 있게 되었으며 또 한 국부적으로 나노구조체의 위치를 정밀하게 조절할 수 새로운 방법이 제시되었다. 이탈리아 볼로냐(Bologna)에 위치한 나노구조 재료 연구소(Institute of Nanostructured Materials)의다기능성나노재료과(division of Nanotechnologies of Multifunctional Materials)의 연구팀은 이번에 두 가 지 인자를 혼합하여 넓은 영역에 걸쳐서 나노구조체를 형 성할 수 있는 기술을 개발했다. I) 연구팀은 몇 년 전에 개발 된 기술인 리소그래피적 기술을 결합한 에칭 기술과 스탬 프 기술을 결합하여 나노물질의 국부적인 증착이 가능하도 록 하였다. II) 여러 금속과 금속 산화물에 적당한 약산 (weak acid) 에 칭 을 진 행 했 다. 모 세 관 력 (Capillary force)과 유체역학의 불안정(hydrodynamic instability) 이 공정을 진행하게 만드는 구동력이 된다. 이를 통해서 정 확한 위치에 나노구조체를 증착하는 것과 표면 패터닝 작 업이 진행되었다. 이번 기술은 넓은 영역에 걸쳐 에칭 용액
을 뿌리면서 그 다음으로 탄성적인 스템프를 통해서 공정 이 진행된다. 이를 통해 에칭은 스템프 공정이 진행된 부분 만 이루어지며 스템프 영역은 네거티브 영역이 되어 패턴 화가 진행된다. 이러한 방법에 의해 진행된 나노구조체와 패턴은 원자힘현미경(AFM), 주사전자현미경(SEM), X- 선 분광법을 통해서 확인되었다. 연구팀은 유리나, 망간, SrTiO
3, TiO
2와 같은 자성 전구체나 유기 반도체 같은 기 판 위에 넓은 영역에 걸쳐서 패턴을 형성할 수 있었다. 이를 통해서 데이터 저장매체, 광학소자, 생화학센서 등에 이번 기술이 사용될 수 있다는 사실을 확인했다.
(KISTI 미리안, 2011년 8월 17일)
Mitubishi, 포도당으로 석유화학 생산
바이오 플래스틱에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 포도당(Glucose)을 원료로 박테리아 기술을 활용해 프로 필렌(Propylene), 부타디엔(Butadiene), 1.4BDO(1.4- Butanediol), TPA(Terephthalic Acid), 호 박 산 (Succinic Acid) 생산기술의 실용화가 눈앞에 다가오고 있다. Mitubishi Chemical은 10년간의 연구 끝에 사탕수 수 및 카사바에서 포도당을 유출해 에탄올(Ethanol)을 거 치는 공법에서, 박테리아를 활용해 에탄올을 거치지 않고 포도당에서 직접 부타디엔을 생산하는 프로세스를 개발했 다. 2011년 제휴 및 출자를 진행했던 캐나다·미국의 벤처 기업들과 함께 호박산, 1.4BOD 생산을 시작하고, 톤당 4,000달러 이상으로 당분간 공급부족이 예상되는 부타디 엔도 최소 2,000달러 이하로 생산할 수 있다는 자신감을 표 시하며 프로젝트에 박차를 가하고 있다. 또 타이 국영 석유기 업 PTT와 합작으로 생분해성을 가진 PBS(Polybutylene Succinate)를 생산하기로 결정했다. PBS의 원료 중 하나 인 호박산은 변환율이 높은 박테리아를 보유하고 있어 2011년 박테리아로 호박산을 발효하는 기술을 가진 캐나 다 BioAmber와 제휴를 맺고 8월에는 프랑스의 시장개척 용 3,000톤 설비에 Mitsubishi Chemical의 박테리아를 투입해 시험할 예정이다. 한편, 원료인 1.4BDO는 박테리 아 기술을 보유한 미국 Genomatica에 투자해 Mitsubishi Chemcal의 높은 정제기술과의 결합을 통해 코스트를 낮 출 수 있을 것으로 기대하고 상업화에 속도를 내고 있다. 미
리소그래피적인 방법으로 진행되는 에칭과정의 모식도((A), (B)), 에칭액으로는 KOH가 사용되었으며 이를 통해 형 성된 나노와이어의 현미경 사진(C), 마이크로 로직 구조 를 이루고 있는 금 나노패턴(D)
