Internet of Things, 사물인터넷과
웨어러블 열전 발전 소자

 

 

사물인터넷이라는 말을 들어보신 적이 있나요? 사물인터넷은 다른 말로 Internet of Things, 줄여서 IoT라고 하는데요, 인터넷을 기반으로 사람과 사물, 사물과 사물이 서로 연결되는 지능형 기술 및 서비스를 의미합니다. 데이터를 수집하고 연결하여 우리의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 기술입니다. 과거에는 데이터의 송수신이 가능한 기기에 제한이 있었지만, 현재는 스마트기기의 빠른 발전과 더불어 IoT 기술이 우리 삶 곳곳에 스며들고 있습니다.

<그림 1> IoT, internet of things. 모든 사물과 사람 간의 데이터(정보)교류가 일어납니다. 특히 현대 사회에서는 스마트폰을 통해 각종 엔터테인먼트 활동을 즐길 수 있고, 스마트 홈 시스템을 통해 냉난방 등을 조절할 수 있습니다. 또한 SNS 등을 통해 전 세계 사람들과 연결할 수 있고, 자신의 건강상태를 수시로 확인하여 건강한 삶을 살 수 있습니다.

IoT의 시대엔 모든 사물과 사람 간의 데이터(정보)교류가 일어납니다. 이미 스마트폰을 통해 각종 엔터테인먼트 활동을 즐기고, 스마트 홈 시스템을 통해 집 밖에서도 냉난방을 조절합니다. 또한 SNS 등을 통해 전 세계 사람들과 교류할 수 있고, 자신의 건강상태를 수시로 확인하여 질병을 사전에 예방할 수도 있습니다. 또 사물인터넷을 이용하면 냉장고 안에 식품의 양이 얼마나 있는지 실시간으로 확인하고, 부족할 경우 곧바로 주문을 하게 됩니다. 가전제품 뿐 아니라 우리가 항상 착용하고 다니는 시계와 같은 스마트 웨어러블 기기는 우리에게 다양한 정보를 보내줄 수 있으며 반대로 혈압과 심박수, 혈당 등 착용자의 건강상태에 대해 실시간으로 정보를 습득할 수 있습니다. 이렇게 습득한 건강정보를 이용하여 새로이 가공된 정보를 제공함으로써 우리는 더욱 건강한 삶을 유지할 수 있을 것입니다. 실제로 최근 발매되고 있는 스마트 웨어러블 기기를 이용하면 물건을 주문하는 기능 뿐 아니라, 실시간 심박수 트랙킹까지 가능합니다.

<그림 2> 현재 상용화된 스마트 워치와 스마트 이어폰, 앞으로 상용화 될 스마트 안경과 렌즈의 이미지

하지만 현재까지는 웨어러블 기기에 치명적인 단점이 존재하고 있습니다. 그것은 바로 전원 문제인데요. 물론 사물인터넷이 탑재된 냉장고 등 대형 가전제품의 경우는 항상 전력원에 연결되어있기 때문에 문제가 되지 않습니다. 반면 스마트 웨어러블 기기는 점차 다양한 기능이 포함되며, 소형이고, 항상 들고 다니는 물건이기 때문에 전원 문제가 항상 발생하고 있습니다. 실제로 제가 사용하고 있는 스마트 워치도 사용시간이 20시간이 채 되지 않습니다.


배터리를 이용한 제품들은 매번 충전을 해야 합니다. 이런 문제를 해결하기 위해서 다양한 자가발전 기술이 개발되고 있습니다. 예를 들면 자가발전이 가능한 열전발전소자는 이런 문제를 해결할 수 있습니다. 열전 발전 소자는 온도의 차이를 이용해서 전기를 생산하는 소자인데요, 사람의 체온은 항상 일정하기 때문에 밖으로 방출되는 열을 이용하여 발전시키는 것이 웨어러블 열전 발전 소자입니다.

 

열전발전소자의 역사는 짧지 않습니다. 1787년과 1821년에 이탈리아의 과학자 Alessandro Volta에 독일의 과학자 Thomas Johann Seebeck이 반도체 물질의 양 끝에 다른 온도를 주었을 때 전기가 생산된다는 지벡효과를 발견했습니다. 하지만 200년의 시간이 흐를 때까지 커다란 반도체 물질에 대해서만 알려졌기 때문에 웨어러블 열전발전소자에 적용하기에는 문제가 있었습니다.

<그림 3> 지벡효과(좌)와 세라믹을 이용한 열전 발전소자(우). 반도체만을 이용해서 제작한 열전 발전소자는 두껍고 유연성을 가지지 않습니다. 또한 반도체 물질을 연결하는 전극 물질과의 접촉저항으로 인해 전체 내부 저항이 커진다는 단점이 있습니다.

반도체만을 이용해서 제작한 열전 발전소자는 두껍고 유연하지 않습니다. 또한 반도체 물질을 연결하는 전극 물질과의 접촉저항으로 인해 전체 내부 저항이 커진다는 단점이 있습니다. 최근에는 유연하고 튼튼한 유기물을 이용한 열전 발전 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 유기열전재료는 무기열전재료에 비해서 낮은 열전 성능을 가지고 있지만, 웨어러블기기에 적용하기에 알맞은 특성인 가벼움, 유연함, 낮은 가격 등의 장점을 갖고 있기 때문에 차세대 열전소자로 각광받고 있습니다.

<그림 5> 다양한 유기재료 중, 전도성고분자(좌)와 탄소나노튜브, 그래핀 같은 나노카본(우)이 열전 재료에 많이 응용되고 있는 추세입니다.

한국과학기술연구원(KIST)의 광전하이브리드센터 김희숙 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부와의 공동연구를 통해 탄소나노튜브 실을 이용한 웨어러블 열전 발전 소자에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 탄소나노튜브는 단일 튜브만으로 충분히 튼튼하지만, 실 형태로 제작할 경우 강철의 100배에 해당하는 강도를 가지게 됩니다. 이번 연구에서는 탄소나노튜브 실을 직접적으로 직물에 바느질하여 직접적인 열전발전소자로 사용하였습니다. 기존의 연구에서는 새로운 열전발전소자를 제작하여 피부에 부착해야했지만, 탄소나노튜브 섬유를 이용한다면 기존에 입던 의류에 바느질을 통해 열전 발전이 가능합니다. 그리고 가닥 하나로 이루어진 탄소나노튜브 실을 이용하였기 때문에 각각의 소자를 연결할 금속 전극을 사용할 필요가 없어 더욱 유연하고 내부 저항이 적으며 전기전도도도 매우 높아 좋은 발전 성능을 기대할 수 있습니다.

<그림 6> 탄소나노튜브를 이용한 유연 열전 모듈의 제작 과정의 모식도입니다. 탄소나노튜브를 끊지 않고 연속적으로 N, P 형으로 도핑하여 높은 성능을 가지는 탄소나노튜브 섬유를 제작할 수 있습니다.

연구진이 개발한 열전 소자는 먼저 탄소나노튜브 실을 합성한 후, n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작되었으며, 이 자체를 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮춰 발전 밀도를 향상시켰습니다. 사람의 체온과 바깥의 온도 차이가 약 5도 정도 날 경우, 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였는데, 이 발전량은 현재 보고된 유연열전재료 기반 소자 중 세계최고 수준의 결과입니다. 이 연구결과는 국제학술지 ACS Nano에 개제되었습니다.

<그림 7> 사람의 체온을 이용한 열전 발전기의 모습입니다. 적은 온도 차이를 가지지만, 높은 발전량을 보이고 있습니다.

탄소나노튜브 섬유를 기반으로 한 열전 발전소자는 매우 가볍고 기계적 성질이 뛰어납니다. 또 높은 열전 발전 성능을 보이며 다양한 섬유 등에 직접적인 적용도 가능합니다. 이런 열전 발전 소자를 활용한다면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것으로 보입니다. 모든 물건이 인터넷을 통해 데이터의 공유를 하는 시대에는 이런 열전발전과 같은 차세대 에너지원이 웨어러블 디바이스의 전력원을 담당할 것입니다. 머지않은 미래에는 더 이상 스마트폰의 배터리를 충전하러 콘센트를 찾아다니는 일은 벌어지지 않겠죠?

 

 

 

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초고속 충·방전 가능한

전기자동차용 배터리 신소재 개발

– 간단한 1회 공정으로 합성한 양극재로 열화 현상 억제 가능
– 2분 이내의 급속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기 성능 유지 

 

최근 친환경 전기자동차가 주목을 받으면서 동력원인 리튬이온전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 빠른 충전 속도가 가능하고 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 데 관심이 모아지고 있다. 최근 국내 연구진이 고용량 및 고출력 특성의 새로운 양극(+)재를 개발하여 전기자동차(EVs) 배터리 성능을 향상시킨 결과를 발표해 주목받고 있다.

그림 1. 주사투과전자현미경 (HAADF-STEM)으로 관찰한 LMR 입자의 벌크 및 표면 원자 배열 구조 (층상형 구조의 벌크, 암염 구조의 표면)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구진과의 공동연구를 통해 고용량 배터리의 양극재로 사용되는 과리튬망간 전이금속 산화물(LMR, Lithium- and Manganese-Rich nickel-cobalt-manganese oxide) 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성하여 표면 열화 현상을 극복한 새로운 양극재 개발에 성공하였다. 차세대 양극재로 주목받고 있는 LMR 소재는 여타 상용화 양극재보다 에너지밀도가 높고 안전한 소재이다. 하지만 충·방전 간 결정구조가 불안정해지는 현상으로 인해 상용화 적용에는 한계를 가지고 있었다. 이러한 현상은 주로 양극재 입자의 표면에서 일어나므로 표면 특성의 제어는 LMR 소재의 상용화를 좌우하는 핵심요소이다.  

KIST 연구진은 LMR 양극재 표면을 안정화하고 나아가 빠른 리튬이온전달을 가능하게 하는 표면구조를 형성하는 새로운 기술을 개발하였다. 쉽고 간편한 한 번의 공정으로 이온전도도가 높은 지르코늄 혼합산화물을 LMR 활물질 표면에 1~2 나노미터 코팅층으로 형성하여, 표면에서 원활한 리튬이온의 확산이 가능하게 하고 소재의 열화 현상을 억제하는데 성공하였다. 본 연구를 통해 개발된 ‘수 나노미터 크기의 지르코늄 함유 혼합전이금속 산화층’이 생성된 양극재는 2분 이내의 고속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기의 우수한 특성을 그대로 유지하였다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능한 소재로서 전기자동차 배터리에 적용 시 충전 시간을 단축하고 주행거리를 향상시키며, 제조 공정을 간소화시킬 것이 기대되는 등 상용화에 근접한 기술로 평가되고 있다. 아울러, 본 연구에서 개발된 양극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 전기차 및 중·대형 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage Systems)에 응용 가능한 다른 핵심 전극 소재 개발에도 새로운 해법을 제시할 것으로 전망된다.

그림 3. 새로운 LMR 양극의 (a) 충·방전 속도에 따른 전압곡선 및 (b) 수명 특성

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘Nano Letters’(IF: 12.712, JCR 분야 상위 4.00%)에 11월 16일(목)자 온라인에 게재되었다.


* (논문명) Nanoscale zirconium-abundant surface layers on lithium- and manganese-rich layered oxides for   

              high-rate lithium-ion batteries
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 안주현 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 오시형 박사, 서울대학교 최장욱 교수

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전기자동차 급속 충전,

배터리 성능 저하의 원인 찾았다.  
급속 충·방전 중 수반되는 전극 소재 열화 메커니즘 분석 플랫폼 구축
전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 발판 마련

 

리튬이온전지(LIB, Lithium-ion battery)는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화되어 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems)등의 대용량 전원까지 활용되는 추세다. 특히 최근 들어 전기자동차가 주목받으면서 동력원인 리튬전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 즉 빠른 충전 속도를 유지하면서도 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심이다. 최근 국내 연구진이 리튬이온전지의 급속 충·방전 시 전극 소재의 변형, 즉 열화로 인한 전극 내부구조에서 일어나는 변화를 다양한 범위에서 한 눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 열화 분석 플랫폼을 확립하고, 이를 통해 전지 소재의 열화 메커니즘을 규명하여 주목받고 있다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 최근 전기자동차용 고용량 양극(+) 소재의 후보물질로 각광받고 있는 3원계(Ni, Co, Mn) 양극 물질(NCM, LiNixCoyMnzO2) 소재의 충·방전 과정을 투과전자현미경(transmission electron microscopy)을 이용해 분석했다. 연구진은 충·방전 시 리튬이온의 이동속도 변화에 따른 전극소재의 열화 정도 차이를 각각 표면 및 벌크 구조별로 다중 길이 범위(multi length scale)에서 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 밝혔다.  

리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬 이온이 내부의 전해질을 통해서 양극에서 음극으로 이동하게 된다. 리튬이온전지의 충전 속도를 급속으로 하게 되면, 리튬이온이 전극 및 전해질을 거쳐 전달되는 속도가 충분히 빠르지 못하여 전지의 용량과 수명이 급격히 감소되는 단점이 있다. 즉, 완속 충전량에 비해 훨씬 적은 용량만 충전할 수 있고, 또한 반복되는 급속 충전으로 리튬이온전지의 수명이 크게 감소하게 된다. 이러한 문제점은 전기자동차의 시장 확대에 큰 걸림돌이 되어왔다. 현재까지는 주로 전지의 성능 지표를 높이기 위해 전지 용량과 직결되어 있는 전극 소재의 벌크 구조 분석에 대한 연구가 집중되어 왔다. 하지만 KIST 연구진은 실제로 유기용매 전해액과 맞닿아 있는 전극의 표면에서 전지의 열화나 열 폭주 현상이 시작하는 것에 주목하고, 수년간의 연구를 통해 배터리의 전극 표면을 효과적으로 분석할 수 있는 전자현미경(나노스케일) 기반 전지 소재 열화 분석 플랫폼을 구축했다.

<그림 1>NCM 양극재의 니켈 함량이 각각 40% 및 80% 일때의 완속 및 100배 고속 방전 시 전지 용량 감소 변화 및 고속 방전 시 각 소재별 표면 및 벌크 내부 구조 변화 도식도

연구진은 다양한 투과전자현미경 분석기법(고 분해능 이미징 기법, 전자에너지 분광 분석법, 전자 회절 분석법 등)을 활용하여 전이 금속 간 함량 차이를 가지는 3원계 양극소재(NCM)에서 급속 충·방전 시 발생하는 열화 메카니즘을 규명하였다. 충전 속도에 따라 전극 물질 표면에서의 내부구조 변형의 정도가 다르게 나타나고, 내부구조 변형의 회복 정도 역시 방전 속도에 따라 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 즉, 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량의 감소와 수명 단축을 야기한다는 것이다. KIST 장원영 박사는 “전지의 안전성이 무엇보다도 강조되는 중대형 이차전지 개발에 있어서 이번 연구가 전극 소재의 설계 인자를 찾아가는 고도 분석 연구의 발판이 되길 바란다.”고 말하며, “특히 이번 분석 플랫폼을 통해 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 연구에 매진할 계획이다.”고 밝혔다.
  
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘The Journal of Physical Chemistry Letters’(IF:9.353, JCR 분야 상위 2.78%)에 11월 8일(수) 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Structural Evolution of LixNiyMnzCo1-y-zO2 Cathode Materials during High-Rate Charge and Discharge
    - (제1저자)  한국과학기술연구원 황수연 박사 (박사후연구원, 現 BNL 연구원)
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 장원영 박사, 김승민 박사

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