저온에서 프린팅 가능한 고분자 소재로
고효율 유기태양전지 만든다  

  - 저온공정용 전도성고분자 개발로 최고수준의 고효율 유기태양전지 구현
  - 향후 플라스틱 기반의 플렉시블(Flexible) 태양전지 제작에 활용 기대

 

프린팅 방식을 이용한 고분자 유기태양전지 모듈 제작 과정

미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 공정을 단순화하는 것이 주요한 과제이며, 특히 프린팅 방식을 이용한 태양전지 생산은 차세대 태양전지를 선도해나갈 기술로 두각을 나타내며 활발한 연구가 진행 중이다. 유기태양전지는 고분자 소재의 가볍고 유연한 특성으로 프린팅 방식을 이용한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이라 할 수 있다. 하지만 현재까지 전 세계적으로 보고된 많은 고효율 유기태양전지는 작은 활성영역(0.1 cm2이하)에서는 고효율을 보이나, 넓은 면적에서는 재현성이 낮아 실제 프린팅 공정을 이용한 유기태양전지 상업화에 많은 제약을 갖고 있었다. 최근 국내 연구진이 저온에서 높은 공정 신뢰성을 보이며 대면적 제작이 가능한 고효율 유기태양전지를 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 대면적으로 프린팅이 가능한 저온공정용 고분자 신소재를 개발하는데 성공하여 이를 태양전지의 광활성층* 소재로 사용, 고효율의 유기태양전지를 개발했다.
*광활성층(photo-active layer) : 태양빛을 흡수하여 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극사이의 층

KIST 손해정 박사팀은 기존 고분자 광활성층 소재를 대체하는 새로운 고결정성의 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용하였다. 연구진이 개발한  고분자는 기존보다 높은 용해도를 보여 저온에서 용액을 이용한 공정으로 넓은 면적에서도 손쉽게 광활성층 제작이 가능하였다. KIST 연구진은 기존의 고결정성 고분자의 지나친 뭉침 현상을 해결할 수 있는 제3의 물질(단량체, monomer)를 고분자 공중합체**에 도입 및 합성을 통해, 높은 결정성과 우수한 전기적 특성을 보이고, 용액에서 잘 녹아 용액공정에 적합한 새로운 고분자 소재 제작에 성공했다. 따라서 기존 고분자의 경우 광활성층의 면적을 넓혀서 태양전지를 제작 했을 때 효율의 저하를 보였으나, KIST 연구진이 개발한 신규 고분자의 경우 상대적으로 매우 작은 효율 변화를 보였다. 결과적으로 1cm2 활성영역을 기준으로 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 30% 가량의 효율 향상을 보였으며, 최고 9.45%의 높은 광전변환효율을 기록하였다. 이러한 성능은 보고된 비슷한 면적의 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과이다.
**공중합체(copolymer) : 2종류 이상의 단량체가 연결되어 이루어진 고분자.

기존의 유기태양전지의 광활성층 두께가 100 나노미터(nm, 10억분의 1m) 이상인 경우 낮은 전하이동도 특성으로 효율이 감소하는 경우가 대부분이었다. 이러한 점은 태양광을 흡수하는데 제한이 되고, 대면적 프린팅 공정시 활성층의 두께 조절에 있어서 제약이 되어왔다. KIST 연구진은 개발한 신규 광활성층 고분자 소재로 광활성층의 두께를 350 나노미터(nm) 이상으로 제작했을 때, 오히려 광전변환효율이 향상되는 특징을 보임으로써 대면적 유기태양전지 모듈 제작에 우수한 적합성을 보였다. 

프린팅 방식을 이용한 유기태양전지 모듈

KIST 손해정 박사는 “이번 연구를 통해 유기태양전지의 성능뿐 아니라 대면적화에 중요한 기여를 할 것으로 보인다.”고 말하며, “향후 유기태양전지의 상업화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시 할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 또한 연구진은 후속 연구로 프린팅 공정을 이용한 유기 태양전지 모듈을 제작하고 있으며, 향후 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용이 가능할 것이라고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.05%) 12월 27일(수) 온라인 게재되었으며, 2018년 최신호에 표지논문(Front Cover)으로 선정되어 게재될 예정이다.

  * (논문명) ‘High-Performance and Uniform 1 cm2 Polymer Solar Cells with D1-A-D2-A-Type Random Terpolymers’
     - (제1저자)  한국과학기술연구원 신인정 학생연구원(석사과정)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 손해정 박사(책임연구원)

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4차 산업혁명을 견인할 전지 기술

 

“우편 마차를 여러 대 연결한다고 기차가 될 수는 없다.” 혁신의 본질을 이야기할 때 빼놓지 않고 등장하는 경제학자 조지프 슘페터의 이야기다. 4차 산업혁명의 새로운 패러다임과도 맞닿아 있다. 4차 산업혁명의 핵심은 바로 '초연결'이다. 초연결사회란 사람과 사물 및 공간이 인터넷을 매개로 연결돼 정보의 생성과 수집, 공유와 활용이 이뤄지는 사회다. 우리나라는 일찍이 초고속 통신, 지식 전달 시스템을 구축해 세계 최고 정보통신 인프라를 갖췄다. 그러나 문제는 바로 '초'연결로 나아가지 못하고 있다는 데 있다.

 

초연결 사회는 단순히 새로운 차원의 연결만을 의미하지 않는다. 기존의 연결 사회를 뛰어넘게 하는 모든 것을 의미한다. 시간이나 장소와 관계없이 초연결을 가능케 하는 사물인터넷(IoT), 빅데이터와 연결되는 통신 시스템, 로봇 등 스마트 기기를 구동하는데 적합한 에너지원의 개발이 요구된다. 차세대 이차전지는 4차 산업혁명 시기에 수요가 폭증할 것으로 보인다. 새 시대에 적합한 에너지원의 중요성 때문이다. 산업혁명의 역사를 보더라도 인류는 그전까지 사용하지 않은 새로운 에너지원을 사용하는 방향으로 발전했다. 수렵 채집에서 농업혁명이 발생하면서 가축, 바람, 물과 더 많은 사람들의 집약된 노동력을 필요로 했다. 증기기관이 발명되면서 인류는 기존에 활용하던 자원 대신 어마어마한 양의 석탄 에너지를 사용하기 시작했다. 이후 3차 산업혁명에 이르러 인류는 또다시 전기 에너지의 수요를 폭증시켜 왔다. 초연결 사회에서는 어떠한 새로운 에너지원을 주로 사용할 것인지는 아직도 미지수다. 에너지 소비와 생산은 동전의 양면과 같다. 기존에는 더 많은 에너지원을 발굴함으로써 수요에 대응했다. 이제는 잉여 전기의 저장, 태양·화학·자연 에너지 등 새로운 에너지원의 발굴로 기존 패러다임에서 벗어나는 추세다. 폐열을 통해 전기를 발생시키는 에너지 재활용 분야도 활성화되고 있다. 에너지 생산량을 떠나 얼마나 친환경 에너지를 생산하고 소비할 것인가 하는 관점도 중요하다.

 

4차 산업혁명에서의 에너지 수요는 생산과 저장에서 과거와는 전혀 다른 패러다임을 요구한다. 현재의 발전 체계는 발전소 중심의 대규모 전력 생산과 플러그인 방식의 대량 소비로 요약할 수 있다. 그러나 4차 산업혁명은 이러한 플러그인 방식의 소비로부터 탈피하고 있다. 예를 들면 스마트폰이나 태블릿 PC, 전기자동차와 인공지능(AI) 로봇 모두 시간과 공간의 제약 없이 에너지를 소비할 수 없다. 즉 플러그에 연결된 상태에서는 초연결된 사회로 나아갈 수 없다. 이에 따라서 이러한 기기들은 대부분 고효율의 에너지저장장치(ESS), 즉 배터리에 의존하거나 자가발전을 통해 에너지를 공급받게 된다. 배터리가 시간이나 공간과 관계없이 환경 친화형으로 생산된 전기 에너지를 무한정 공급받아 필요한 만큼 저장하고 효율 높게 활용할 수 있는 신기술을 개발할 수 있을지가 관건이다. 기존의 리튬이온계 이차전지 개념을 넘어서는 혁신 사고의 전환이 요구된다. 전력 생산 및 저장 기술을 과감하게 융합한 신개념의 융합전지 개발이 필요하다. 기존의 이차전지는 소재 개발 시 부닥치는 몇 가지 문제점이 있다. 이론상 가능한 용량의 한계로 인해 전지의 부피를 키우거나 단위 중량당 용량을 증설해야 하는 한계, 주기 충전의 필요성, 대용량화에 따른 안전성 문제 등이다.

 

춘계전지학회와 한국과학기술연구원(KIST)도 19일까지 '4차 산업혁명에서 전지의 역할'을 주제로 토론회를 개최한다. 정보 산업, 의료 산업, 서비스 산업에서의 전지 관련 연구 발표와 전문가 토론이 있을 예정이다. 차세대 에너지 저장 기술과 경쟁력을 확보하는 계기가 되기를 기대한다.

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리튬이온전지 대체할

고성능 소듐이온전지 음극용 복합소재 개발

친환경 실리콘 오일을 이용한 소듐이온전지용 안티몬 복합소재 구현
리튬이온전지 대체할 높은 용량의 차세대 이차전지 시스템 기대

 

리튬이온전지(LIB, Lithum-ion battery)는 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 나타내 지난 20년 이상 동안 휴대기기와 같은 소형기기의 동력원뿐만 아니라 최근 하이브리드 자동차와 전기자동차의 대형 전력 저장용으로 그 이용범위가 확대되고 있다. 하지만 점점 고갈되고 있는 리튬 원료로 인해 리튬이온전지 대신 새로운 차세대 이차전지 시스템에 대한 개발이 화두이다. 리튬이온전지를 대체할 이차전지로는 자원이 풍부하여 저렴하고 친환경적이며 높은 용량을 가지는 소듐이온전지(SIB, Sodium-ion battery)의 음극 소재 개발에 대한 관심이 높아지고 있는데, 최근 국내 연구진이 간단한 합성방법을 통해 높은 전지용량을 가지는 소듐이온전지용 음극 복합소재를 개발했다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 최원창 박사팀은 소듐이온전지의 음극용 소재로 기존에 보고된 합성법보다 더욱 저렴하고 간단한 방법을 통해 고성능의 안티몬(antimony) 입자들이 박혀있는 실리콘옥시카바이드 복합체를 합성하는데 성공했다.

<그림 1>안티몬 나노입자들이 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체 합성 모식도
Step I. 실리콘 오일이 본연적으로 가지는 높은 점도(걸죽한 특성) 특성에 착안하여, 추가적인 화학물질 없이 30분 정도의 교반(stirring)만으로, 그림처럼 실리콘 오일안에 안티몬 전구체 파우더가 잘 분산된 상태. Step II 및 Step III. 상기 실리콘 오일안에 안티몬 전구체 파우더가 잘 분산된 상태 그대로, 간단히 대기 분위기의 400도 온도에서 6시간 동안 열처리(step II)를 수행한 후에, 이어서 900도에서 7시간 열처리를 하여 복합소재 구현. 최종 산물은, 나노 사이즈의 안티몬 나노입자들이 촘촘히 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체임.

연구진은 복합체 음극물질을 구현하는 동시에, 충·방전 도중에 발생하는 안티몬 소재의 부피팽창을 억제할 수 있는 더욱 견고하고 탄성력을 지니는 복합물질을 개발하는데 성공하였다. 연구진이 개발한 음극용 복합체는 합성 시 별도의 추가 화학물질 첨가 없이, 실리콘 오일과 안티몬 파우더만을 이용하여, 실리콘옥시카바이드 소재 안에 안티몬 입자가 골고루 분산되어 있는 복합소재로, 간단하게 합성할 수 있어 향후 안티몬뿐만 아닌 다양한 소듐이차전지용 합금계 음극 복합체 개발에 도움이 될 전망이다. 소듐(나트륨) 자원은 리튬과 달리 광물뿐만 아니라 해수에 다량 함유되어 있어 자원이 고갈될 염려가 없고, 리튬과 비슷한 화학성질을 지녀 소듐이온전지를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되었다. 그러나 소듐이온은 리튬이온보다 원자번호가 크고 이온반경이 크기 때문에, 현재 리튬이온전지의 상용 음극으로 사용되는 흑연 소재를 소듐이온전지의 음극 소재로 적용이 불가능하다는 단점이 있었다. 최근 학계의 발표에 따르면, 안티몬 소재는 기존 리튬이온전지 상용 음극소재인 탄소계 음극물질보다 2배 정도 높은 용량을 가지고 있어 리튬이온전지 및 소듐이온전지의 유망한 음극소재로 주목 받고 있지만, 전지의 충·방전 과정 중 발생하는 안티몬 소재의 물리적인 부피 팽창으로 인한 소재의 열화가 심각하다는 단점이 있었다. 본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 액체 형태인 실리콘 오일 안에 고체 형태의 안티몬 나노입자를 분산시킨 후, 한 번의 열처리 공정을 통하여 실리콘옥시카바이드/안티몬 복합소재를 합성하였다.

<그림 2> 안티몬 나노입자가 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체의 투과전자현미경 이미지

이 복합소재는 실리콘 오일 자체의 높은 점도를 활용하였기 때문에, 추가적인 화학물질 없이 열처리만으로 실리콘 옥시카바이드 소재 내에 안티몬 나노입자가 잘 분산된 복합소재의 구현이 가능하였다. 연구진은 개발한 복합소재를 소듐이온전지의 음극소재로서 적용하였을 때, 안티몬 입자의 부피 팽창 혹은 입자간 뭉침을 효과적으로 억제하여 250회 이상 전지의 충·방전 시 97% 성능을 유지하는 것을 확인했다.

<그림 3> 안티몬 나노입자들이 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체의 전기화학적 특성 (전지특성) 상단 그래프: 본 연구의 복합소재 경우,전지의 충방전을 200회이상 반복하여도 전지용량의 성능저하가 거의 없음. (250회 충방전을 반복하여도, 초기 성능의 97%를 유지함.) 좌하단 그래프: 20C와 같은 빠른 충방전 경우에도, 전지용량의 감소없이 우수한 출력 특성을 나타냄. (20C의 충방전 조건은, 3분안에 급속충전 및 급속 방전을 수행하는 조건에 해당함) 우하단 그래프: 2C과 같은 충방전 조건에서, 충방전을 100회이상 반복하여도 전지용량의 성능 저하가 거의 없음. (2C의 충방전 조건은, 30분안에 충전 및 방전을 수행하는 조건에 해당함. 이러한 충방전을 100회 반복하더라도, 전지 성증의 저하가 거의 없음.)

KIST 최원창 박사는 “본 연구의 실리콘 오일을 이용한 복합체 합성법은 안티몬 뿐만  아닌 다른 합금계 음극소재에 적용 가능하여, 다양한 이차전지 복합 음극소재를 개발 할 수 있다” 고 말했다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업(녹색도시기술플래그십연구사업)으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF:12.124)에 9월 13일자 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) One-Pot Synthesis of Antimony-Embedded Silicon Oxycarbide Materials for High-Performance Sodium-Ion Batteries
  - (제1저자)  한국과학기술연구원 이용호 박사 과정 (고려대학교 박사학연과정)
  - (교신저자) 한국과학기술연구원 최원창 박사

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KIST-서울대 공동연구팀, 초경량에 형상 변형 가능한 연료전지 기술 개발
차세대 드론용 에너지원으로 각광, 체공시간 획기적으로 늘릴 핵심 기술

 

‘연료전지’는 연료로 수소와 공기를 사용하며, 전기를 발생하고 나오는 부산물로 기존의 내연기관과 다르게 ‘물’ 만을 발생해 친환경 재생에너지로 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 친환경 미래 에너지원으로 주목받는 연료전지에 초경량적 설계와 유연성을 접목한 기술을 개발했다. 현재에도 상용화를 위한 기술개발이 꾸준히 이루어지고 있는 시점에서 또 하나의 기술적 장벽을 뛰어넘은 것으로 평가받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 멀티스케일 에너지시스템연구단 최만수 교수(단장), 차석원 교수와의 공동연구를 통해 초경량의 유연한(Flexible) 연료전지 스택*을 개발하고 실제 작동 시연에 성공했다고 밝혔다.
*스택(Stack) : 여러 개의 연료전지를 직렬로 배열하여 전압을 높이는 연료전지의 구조.

최근 전자기기 업체들은 점차 기기들에 유연성을 부여하여 형상을 자유롭게 변형 가능하게 하며, 변형에 따른 기기의 성능 감소를 최소화하는 추세이다. 그러나 이러한 유연 전자기기들이 모두 웨어러블 전자기기**나 피부이식형 전자기기와 같은 휴대용 전자기기에 활용되려면 전력공급원 또한 유연성을 지녀야 활용성이 높아진다. 따라서 현재 가장 많이 쓰이는 리튬이온배터리에 유연성을 부여하려는 연구가 있었으나 리튬이온배터리는 열역학적으로 더 이상의 동 부피 대비 에너지 저장량을 늘리기는데 한계가 있어 근본적인 대체 에너지원의 개발이 필요했다.
**웨어러블(Wearable) 전자기기: 차세대 미래 전자기기 기술로 착용가능한 의류, 액세서리등을 전자기기로 만든 형태. 의류 내부로 설치될 전자기기 또한 유연해야 하며, 이미 군용 등에 본 기술이 적용되고 있음.

유연성을 활용한 원통형 연료전지 스택 및 이의 실제 작동 사진

본 연구를 주도한 KIST 유성종 박사는 “현재 체공시간에 많은 한계를 지닌 드론에 본 초경량 유연 연료전지 스택을 적용할 경우, 기존 배터리 무게 기준 체공시간의 세 배 이상 늘어날 것”이라고 말했다. 또한 서울대학교 차석원 교수는 “연료전지는 친환경성 뿐만 아니라 에너지 저장량에서도 여타 에너지 저장기기에 비해 많은 장점을 지닌다”며 “연료전지 분야의 미래를 대한민국이 선도할 수 있는 초석이 될 것”이라 말했다. 서울대학교 최만수 교수는 “다양한 분야의 연구자들이 모여 분야융합을 통해 이뤄낸 값진 결과”라고 밝혔다. 본 연구에는 KIST 박사후연구원 박태현, 강윤식, 서울대학교 장세근 박사과정 학생이 공동 1저자로 참여하였다.

 

본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 네이처 자매지인 ‘NPG 아시아 머터리얼즈(NPG Asia Materials, IF : 8.772)’에 5월 26일(금) 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) A rollable ultra-light polymer electrolyte membrane fuel cell

       - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 박태현 박사후연구원
                             한국과학기술연구원 강윤식 박사후연구원, 서울대학교 장세근 박사과정
       - (공동 교신저자) 서울대학교 기계항공공학부 최만수 교수
                              서울대학교 기계항공공학부 차석원 교수
                              한국과학기술연구원 유성종 책임연구원

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고성능 집광형 태양전지와 열전모듈을 융합한 고효율 융합 전지 개발
태양광과 발생하는 열을 동시에 전기로 바꿔 클린 에너지 분야 활용 기대

 

갈륨아세나이드(GaAs) 기반 집광형 태양전지*는 현재 가장 효율이 높은 태양전지 기술로 알려져 있다. 이 태양전지는 태양광을 전기로 바꿔주는 광변환 효율이 실리콘 태양전지보다 두 배 이상 높으며, 렌즈나 거울 등을 사용하게 되면 광변환 효율은 더욱 높아진다. 그러나, 집광정도가 높아질수록 많은 열이 발생하게 되는데, 이는 태양전지의 효율을 급격하게 저하시키게 된다. 이러한 현상은 집광형 태양전지의 효율 증가를 가로막는 가장 큰 장벽이 되어왔다.
*집광형 태양전지(CPV, Concentrator photovotaic) : 3족과 5족 화합물계를 결합한 갈륨아세나이드를 기반으로 기존 위성용을 벗어난 태양광을 모아서 발전하자는 새로운 컨셉을 적용한 태양전지

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 최원준 박사는 갈륨 아세나이드 화합물 반도체를 이용한 고효율 집광형 태양전지기술을 연구해 왔으며, KIST 전자재료연구단 백승협 박사는 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3)** 열전반도체를 이용하여 버리게 되는 열을 이용한 발전 소자 연구를 수행해 왔다. 본 연구진은 울산과학기술연구원(UNIST)의 이기석 교수와 백정민 교수 연구팀의 이론적인 지원을 받아, 이 두 가 상이한 분야의 융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지 기술이 갖고 있는 한계를 극복한 고효율 융합전지를 개발했다.
**비스무스 텔루라이드(Bi2Te3) : 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있는 열전반도체 소재.  이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용

<그림 1> 광전·열전 융합 전지의 모식도

KIST 공동연구팀은 비스무스 텔루라이드 열전반도체가 열을 전기로, 전기를 열로 바꾸는 열전현상(thermoelectricity)이 매우 탁월한 것에 주목했다. 이 열전 반도체는 냉매를 이용하지 않는 전자냉각 시스템이나 자동차 등 버리는 열을 이용한 전기생산 시스템에 응용 가능한 기술이다. 현재 실생활에서는 와인 냉장고, 자동차 시트 쿨러, 순간냉각정수기 등에 이 기술이 사용되고 있고, 폐열을 이용한 발전시스템 개발에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.

본 KIST-UNIST 공동연구진은 기존의 집광형 태양전지가 발생하는 열 때문에 효율이 저하되는 문제를 해결하기 위해서, 열을 전기를 바꿀 수 있는 열전 소자를 집광형 태양전지와 융합하는 기술에 관한 아이디어를 구상하고 이를 융합전지로 구현하였다. 집광형 태양전지에서 고집광시 발생하는 열은 태양전지의 효율을 저하시키는 주요한 원인으로 작용하는데, 이때 발생하는 열을 이용해 열전모듈이 전기 에너지를 추가적으로 생산하므로 융합전지의 효율은 단일 태양전지 효율에 비해 크게 향상될 수 있으며, 기존 집광형 태양전지의 집광한계를 극복할 수 있다.

KIST 최원준, 백승협 박사는 “융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지의 고집광시 발생하는 태양전지 효율저하 문제를 극복하는 집광형 광전·열전 융합전지의 가능성을 확인했다.”라고 말하며, “앞으로 고효율 클린 에너지 발전 산업에 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 

 

본 연구는 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 권위지인 ‘Nano energy’(IF : 11.53)에 5월 19일(금) 온라인 게재되었다. 

 * (논문명) A highly-efficient, concentrating-photovoltaic/thermoelectric hybrid generator    
        - (제1저자) 한국과학기술연구원 길태현 박사과정
        - (공동 제 1저자) 한국과학기술연구원 광전소재연구단 김상현 선임연구원               

        - (교신저자) 한국과학기술연구원 전자재료연구단 백승협 선임연구원
                        한국과학기술연구원 광전소재연구단 최원준 책임연구원

 

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열전 재료는 온도의 차이를 전류의 흐름으로 바꿀 수 있는 재료를 의미합니다. 이 열전 재료를 이용하여 제작한 열전발전기는 열에너지를 터빈과 같은 다른 기기를 통하지 않고 전기에너지로 변환하기 때문에 효율이 높고, 다양한 폐열(waste heat)을 이용하여 발전을 할 수 있다는 점 때문에 최근 각광받고 있는 분야입니다.

<그림 1> 열전 재료는 온도 차이에 의해 전압 차이를 가져오는 재료입니다. 즉, 전기를 만들 수 있는 재료입니다.<그림 1> 열전 재료는 온도 차이에 의해 전압 차이를 가져오는 재료입니다. 즉, 전기를 만들 수 있는 재료입니다.

 

일반적으로 열전재료로 사용되는 물질은 밴드갭을 가지고 있는 반도체재료입니다. 반도체 재료는 효율은 높지만 매우 딱딱하고 전기전도도가 낮으며 가격이 매우 비쌉니다. 따라서 반도체재료는 몸에 부착할 수 있는 웨어러블 열전발전기로 사용하기에 제약이 있습니다. 이에 많은 연구자들이 유연하고 늘어날 수 있는 열전소자에 대해 연구하고 있습니다. 최근에는 PEDOT:PSS 라는 전도성 고분자와 같은 물질이 좋은 열전 성능을 가진다고 보고가 되고 있습니다. 하지만 고분자 물질의 낮은 제벡계수 때문에 상용화 단계에는 이르지 못하고 있습니다. 또 다른 후보군으로는 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 탄소나노재료가 있습니다. 탄소나노재료는 다른 유기재료에 비해 월등히 높은 기계적 물성, 유연성, 전기전도도 등으로 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 이유에서 그래핀이나 탄소나노튜브를 열전 소자로 사용할 수 있다면, 사람의 체온을 이용하여 발전할 수 있는 웨어러블 열전 발전기 등에 적용 할 수 있을 것입니다.

<그림 2> 열전재료로 사용되는 세라믹은 낮은 전기전도도와 딱딱한 성질을 가지고 있지만, 유기물질은 세라믹에 비해 높은 전기전도도를 가지고 유연한 성질을 가지고 있습니다. 특히 탄소나노재료의 경우 매우 우수한 기계적 물성과 전기적 특징을 가지고 있기 때문에 유기열전재료를 포함한 다양한 분야에서 응용이 많이 되고 있습니다.

한국과학기술연구원 광전하이브리드센터의 손정곤, 김희숙 박사님 팀은 반도체 물질이 아닌 그래핀을 열전 재료로 사용하는 연구를 진행하고 있습니다. 하지만 그래핀을 열전재료로 사용하는 것에는 큰 문제점이 있습니다. 바로 열전 성능인 제벡계수가 낮다는 점과 열전도도가 매우 높다는 점입니다. 그래핀의 제벡계수가 매우 낮은 이유는 그 안의 전자 밀도가 높기 때문이며 같은 이유로 열전도도 또한 높습니다, 손정곤 박사님 팀의 오진우 학생은 해당 문제를 해결하기 위해서 그래핀을 나노사이즈로 패턴하였습니다.

<그림 3> 열전재료로 사용하기 위해 그래핀은 높은 전기전도도를 유지한 채, 전자밀도와 열전도도를 낮추어야 합니다.
오진우 학생은 원자 1개 두께를 가지는 그래핀을 나노패턴하기 위해서 블록공중합체(block copolymer)를 이용하였습니다. 블록공중합체를 이용하면 10나노 이하의 복잡한 패턴을 매우 간단하고 빠른 공정으로 제작할 수 있습니다. 오진우 학생은 이것을 이용하여 그래핀으로 나노메쉬(나노 사이즈의 체 형태)를 제작하였습니다.

<그림 4> 블록공중합체를 이용한 패터닝은 블록공중합체가 친수성-소수성 물질로 이루어져 있기 때문에 나타나는 매우 특이한 현상입니다. 이 현상을 이용하면 복잡한 패턴까지 손쉽게 만들 수 있습니다.
그래핀이 나노메쉬가 된다면 열전도도가 급격히 감소하는데 열 전달 매개체인 포논(phonon)이 산란되기 때문입니다. 또한 그래핀 나노메쉬는 밴드차이가 커지며, 따라서 전자밀도가 감소할 수 있습니다. 즉 앞서 단점으로 지적되었던 낮은 제벡계수를 증가시키고 결과적으로 열전 성능을 높이는 것입니다.

<그림 5> 물질이 나노사이즈가 되었을 때 물질의 성질은 완전히 바뀌게 됩니다. 2 차원 물질인 그래핀이 메쉬가 되면 1차원 물질인 그래핀 나노리본과 비슷한 형태가 되며, 특징 또한 크게 바뀌게 됩니다.
해당 연구에서 오진우 연구원은 기존의 그래핀에 비해 최대 40배 좋은 제벡계수를 가지고, 열전도도 역시 기존 대비 30배 이상 낮은 그래핀 나노메쉬를 제작하여 열전소자로서의 한계점을 극복하였습니다.

<그림 6> 40배 이상 좋은 제벡계수를 가지며 30배 이상 낮은 열전도도를 가지는 그래핀 나노메쉬의 모습입니다. 사이즈 조절 등을 통해 높은 성능을 가지는 그래핀 나노메쉬를 제작할 수 있습니다.
물론 그래핀과 탄소나노튜브의 단일 재료로는 열전발전기를 제작할 수 없을 것입니다. 하지만 다른 유기재료 혹은 무기재료와의 복합체를 제작한다면 유연한 웨어러블 열전발전의 가능성을 열었습니다.

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[에너지경제] [2017 기상도] 리튬이온전지 한-중-일 격돌

 

[에너지경제신문 안희민 기자] 불과 1∼2년 전만 해도 한국은 글로벌 이차전지 부문에서 1등 국가였다. 스마트폰과 노트북, 패블릿 PC용 전지 시장에서 LG화학과 삼성SDI는 나름대로 아성을 구축했다. 헌데 전기차 시장이 본격적으로 열리며 사정이 달라졌다. 18659 원통형 전지가 7000개나 삽입되는 테슬라 모델S에는 일본 파나소닉의 전지가 탑재됐고, GM 쉐보레 볼트에는 LG화학 전지가 들어간다. 삼성SDI 역시 아우디 등 고급 전지 시장으로 외연을 넓히며 차별화 전략을 구사하고 있다. 한-중-일, 3국이 전기차용 리튬이온전지(LIB) 시장을 놓고 격돌하는 것이다. 승부 결과에 따라 이차전지 지형도는 크게 달라질 것으로 보인다.[...]

[에너지경제 기사보기]

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[기획] 고체산화물연료전지(SOFC), 상용화 어디까지 왔나

 

전 세계적으로 에너지에 대한 관심은 동서고금을 막론하고 지속되어왔습니다. 최근에는 어떻게 하면 더 효율이 높고 친환경적이며 안전한 에너지원을 확보하는가에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 단순히 자연에 존재하는 에너지원을 활용하는 것이 아니라 전지의 형태로 개발하여 에너지를 생산하고 충전하고 저장할 수 있는 것이죠. 아래 가스신문의 기획기사에서 그 현황을 살펴보세요

 

[가스신문 기사보기] 

 

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서울과학기술포럼 개최…기후 변화 등 논의

 

기후변화와 환경, 에너지 등 글로벌 문제를 과학기술로 해결하는 방안을 논의하는 '서울 과학기술 포럼'이 서울 더 플라자 호텔에서 개최됐습니다.....[YTN Science 기사 보기]

 


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- 기존보다 150%이상 에너지 저장이 가능한 신규 금속유기구조체 전극소재 개발
- 다양한 차세대 전기화학적 에너지 저장 소자 분야에 폭 넓은 활용 기대

 

전력난의 해결을 위한 수단으로 각광받고 있는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)은 풍력, 조력, 태양열, 수력, 화력 발전과 같은 수단을 이용해 발생한 에너지의 잉여 에너지를 저장하기 위한 시스템이다. 기존 리튬 이차전지의 경우, 높은 생산 단가와 안정성 문제에 의해 대용량 전력 수요 대비를 위한 에너지저장 시스템으로의 적용에는 한계가 있었다. 최근 국내 연구진이 저비용으로 고효율과 고 안정성을 확보할 수 있는 물을 기반으로 하는 수계 이차전지를 위한 새로운 금속유기구조체*(MOF, Metal-Orgnic Framework) 전극 소재 개발에 성공했다. 
 *금속유기구조체 : 유기 결합 분자에 금속 이온이 결합된 3차원 결정구조체로써 내부에 다수의 나노 기공을 포함한 구조체

 

[그림 1 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그의 결정구조 및 원소 분포]

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 정경윤 박사팀은 금속유기구조체 소재군의 하나인 프러시안 블루 아날로그*(Prussian Blue Analogue)구조를 기반으로, 전기화학적 높은 활성도를 보이고 저가의 소재합성이 가능한 철과 바나듐의 전이금속을 도입하여 에너지 저장 특성이 우수하면서, 저비용, 우수한 가공성을 지닌 신규 전극 소재를 개발했다. 
 *프러시안 블루 아날로그 : 금속유기구조체의 한 종류로써 철과 시안화(Cyanide) 분자의 화학적 결합을 통해 형성된 구조

                                   (프러시안 블루)를 모체로 하여 철 이온이 다른 금속 이온으로 대체되어 있는 파생 소재군

[그림 2 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그의 에너지 저장 및 출력 특성]


철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재는 저비용과 높은 수율을 확보할 수 있는 공침법(Co-precipitation)*을 사용하여 개발되었으며, 합성 과정 중 금속이온 간의 상대농도비와 용매의 수소이온농도(pH) 최적화를 통하여 소재의 결정성 향상과 소재 내부에 공공(Vacancy) 형성을 유도하여 소재의 결정 구조가 유지되면서도 동시에 높은 이온전도도를 확보할 수 있어 에너지 저장 측면에 있어 매우 유리한 특성을 가진다. (* 그림 1 참조)
 *공침법 : 서로 다른 이온들을 용매 내에서 혼합하여 동시에 침전시켜 고체 상태의 석출물을 합성하는 방법

 

연구진은 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그 소재가 기존 동일 군 소재(60 mAhg-1) 대비 150% 이상의 높은 에너지 저장 용량(~100 mAhg-1)을 발현하며 100%에 이르는 높은 충·방전 효율을 나타낼 뿐만 아니라 높은 출력 특성을 보이는 것을 실험을 통해 확인했다.(* 그림 2 참조) 이는 구조 내의 철과 바나듐 전이 금속 이온이 모두 전기화학적 반응에 기여하는 다중 산화환원 반응*(Multiple redox reaction)과 구조 내의 공공(Vacancy)을 통한 높은 이온 전도 특성에 따른 것이다.(* 그림 3 참조)
*다중 산화환원 반응 : 화합물의 산화환원반응에 있어 한 단위 화합물 당 2개 이상의 전자가 관여하는 반응

 

[그림 3 X 선 흡수 분광법을 활용한 철/바나듐 프러시안 블루 아날로그의 에너지 저장 기구 규명]

 

KIST 정경윤 박사는 “본 연구에서 개발된 철/바나듐 프러시안 블루 금속유기구조체 기반의 전극 소재는 우수한 에너지 저장 용량을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 소재의 우수한 가격 경쟁력, 가공성, 소재 구조 다변화 가능 등의 특성을 보유하고 있어 수계 이차전지 외에도 다양한 차세대 전기화학적 에너지 저장 소자 분야에 있어 폭넓은 활용이 기대되는 신규 소재이다.” 라고 밝혔다. 연구진은 이번에 개발된 금속유기구조체를 기반으로 소재의 합성 과정 중 도핑 및 복합체 형성을 통하여 전기 및 이온전도도의 제어와 새로운 기능성을 부여하는 연구를 진행 중에 있으며 이는 향후 수계 전해질 기반의 이차전지 상용화 연구에도 매우 유리한 장점이 있을 것으로 전망했다.  

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유 연구사업과 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 창의형 융합연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 과학 저널인 ‘Advanced Energy Materials’에 10월 12일자 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) Metal-organic Framework Cathodes Based on a Vanadium Hexacyanoferrate Prussian Blue

               Analogue for High-Performance Aqueous Rechargeable Batteries
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이지훈 박사 (박사 후 연구원)
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 정경윤 박사

 

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