◇ 융기원·경기대 연구팀, 차세대 이차전지 성능 극대화 기술 개발

차세대융합기술연구원(융기원)은 융기원 경기도반도체혁신센터 전옥성 박사와 경기대 박상윤 교수 연구팀이 저습 및 저온 환경에서도 우수한 성능을 유지하는 이차전지 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

아연-공기 전지는 대기 중의 산소를 연료로 활용해 안정성·경제성·친환경성을 갖춘 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있으나, 공기극 부분이 외부 공기와 직접적으로 접촉되고 산소를 자유롭게 공급받을 수 있는 개방형 구조로 돼 있어 전해질 내의 수분이 증발하고 전지의 수명을 감소시키는 문제가 있다.

공동 연구팀은 이를 해결하고자 고체에서 액체로 변형이 가능한 반죽 형태의 고체 전해질을 단순한 혼합을 통해 제조하는 데 성공했다.

새로운 전해질은 저습 환경에서 대기 중의 수분을 흡수해 반죽 형태로 변형할 수 있으며, 이를 통해 건조 문제와 이온 전도도가 낮은 문제를 동시에 해결할 수 있다.

◇ UNIST 등 공동 연구팀, 리튬 금속의 성능·안정성 향상 방법 찾아

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수와 미국 라이스대학교(Rice University) 하오티안 왕 교수팀은 극저온 투과전자현미경 분석법(Cryogenicelectron microscopy)과 범밀도함수 이론(Density functional theory, DFT) 계산을 활용한 공동 연구를 진행했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면(SEI) 층의 나노구조와 성능 향상 원리에 대해 규명했다고 18일 밝혔다.

리튬 금속 음극 소재는 상용화된 흑연 음극 소재 보다 약 10배 높은 용량으로 인해 차세대 전지 음극 소재로 활발히 연구되고 있다. 하지만 소재의 불안정성으로 인해 상용화가 어렵고, 특히 전지를 구동하는 과정 중 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면층의 구조와 구동 원리에 대한 이해 부족 등 다양한 문제점이 발견되고 있다.

연구팀은 리튬 금속 및 고체전해질 계면층 분석을 위해 극저온 투과전자현미경 분석법을 활용했다. 2017년 노벨화학상을 받은 연구주제를 활용한 것으로 소재를 약 ?175℃의 극저온 상태로 냉각시켜 나노 단위의 고도분석을 하는 기술이다. 해당 분석법을 통해 민감한 특성으로 인해 분석에 어려움을 겪었던 리튬 금속과 그 계면층의 정확한 구조를 파악하는 데 성공했다.

◇ 아주대 연구팀, 지능형 영상 처리 초고감도·고성능 광센서 개발

국내 연구진이 사물인터넷(IoT) 지능형 영상 처리 분야 활용이 가능한 초고감도·고성능 광센서를 개발했다.

17일 서형탁 아주대 교수에 따르면 '모트 전이' 효과를 통해 기존 상용 적외선 센서를 능가하는 성능을 가지는 이산화바나듐 기반 근적외선 광센서를 개발했다.

아주대 연구팀은 집적회로 양산공정에서 기존에 널리 활용되는 원자층 증착 기술을 이용해 안정적인 스위칭을 얻는 이산화바나듐 초박막을 실리콘 기판 위에 구현하는 데 성공했다.

이를 통해 실리콘과 이산화바나듐으로 구성된 포토 다이오드 소자를 제조했다. 개발된 센서는 피코암페어의 암전류를 갖고, 근적외선 광입사에 대해 초고감도·최고 수준의 검출 성능을 보였다.

◇ 옥수수 속대로 항공유 만든다, 국내 연구진 개발

한국에너지기술연구원은 민경선 광주친환경에너지연구센터 선임연구원 연구팀이 각종 농업폐기물로부터 바이오 항공유 중간물질인 ‘레불린산’을 뽑아낼 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

민 선임연구원 연구팀은 농업폐기물에서 레불린산을 뽑아내는 데 성공했다. 레불린산은 바이오 항공유와 같은 수송용 바이오 연료나 바이오 플라스틱 중간 원료로 활용 가능한 플랫폼 물질이다.

연구팀은 자체개발한 산화공정을 통해 농업폐기물에서 레불린산을 뽑아냈다. 이전까지는 레불린산 수율이 낮아 문제가 됐지만 연구팀은 산촉매 농도, 반응 온도, 시간 등을 통계학적 방법으로 최적화해 수율 또한 끌어올렸다고 설명했다.

이렇게 만든 레불린산을 수소화시켜 만든 4-하이드록시 발레르산을 다시 가공하면 비로소 바이오 항공유를 얻을 수 있다.

◇ 초소형 반도체 발열 문제 잡았다

카이스트(KAIST)는 이봉재 기계공학과 교수 연구팀이 세계 최초로 기판 위에 증착된 금속 박막에서 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤’에 의해 발생하는 새로운 열전달 모드를 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. 표면 플라즈몬 폴라리톤이란 유전체와 금속의 경계면의 전자기장과 금속 표면의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자들이 강하게 상호작용한 결과로, 금속 표면에 형성되는 표면파(surface wave)를 의미한다.

연구팀은 기판 위에 증착된 금속 박막에서 발생하는 표면파에 의한 새로운 열전달 방식을 발견했다. 나노 스케일 두께의 금속 박막에서 열확산을 개선하기 위해 금속과 유전체 경계면에서 발생하는 표면파인 표면 플라즈몬 폴라리톤을 활용했다. 이 새로운 열전달 모드는 기판에 금속 박막을 증착하면 발생하기 때문에, 소자 제작과정에 활용성이 높으며 넓은 면적에 제작이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀은 반경이 약 3cm인 100나노미터 두께의 티타늄 박막에서 발생하는 표면파에 의해 열전도도가 약 25% 증가함을 보였다.

◇ 전고체전지용 전해질, 저가 대량생산 방법 찾았다

KERI(한국전기연구원) 이차전지연구단 박준호 선임연구원 연구팀은 황화리튬이나 첨가제 없이 고순도의 고체전해질을 만들 수 있는 간단 합성법(One-pot)을 개발했다고 15일 밝혔다.

고체전해질 제조법에는 고에너지 볼 밀링(ball milling) 공정을 통한 ‘건식 합성법’과 용액의 화학 반응을 활용하는 ‘습식 합성법’이 있다. 연구팀이 집중한 건 습식 합성법이다. 용매 내에서 최적의 합성 반응을 찾아 고순도의 고체전해질을 제조하는 방법을 찾았다.

이 방식의 가장 큰 장점은 황화리튬을 쓰지 않아도 된다는 점이다. 황화리튬은 고제전해질 제조를 위해 투입되는 시작물질 비용의 95%를 차지하는데 가격이 매우 비싸다. 습식 합성과정에서 황화리튬이 미반응 불순물로 남아 셀 성능 저하의 원인이 되는 경우도 종종 발생한다. 황화리튬을 쓰지 않는 합성법이 있지만 역시나 고가의 첨가제를 써야 한다.

KERI가 찾아낸 간단 합성법은 기존에 황화리튬을 쓰던 방식 대비 재료비가 25분의 1 수준이다. 

◇ 국립대 4곳에 반도체 공동연구소…2026년 완공 목표

이르면 오는 2026년 지방 국립대 4곳에 인근 대학의 반도체 교육, 연구를 도울 권역별 공동연구소가 세워진다.

교육부는 '국립대학 권역별 반도체 공동연구소 공모 사업'에 전남대·부산대·경북대·충남대 4곳을 권역 허브(HUB) 학교로 선정했다고 15일 밝혔다.

선정된 대학 4곳은 권역별 공동연구소를 설립하기 위한 건립비와 반도체 관련 장비비 총 657억원을 받는다. 권역 허브 4곳을 인근 대학의 반도체 연구·교육·실습을 지원하는 지역 내 허브로 키우는 것이다.

정부는 이번 중앙(서울대)-권역별 허브 공동연구소를 바탕으로 전국 어디서나 1시간 안에 반도체 인재 양성을 위한 시설에 접근할 수 있는 '반도체 팹'(Fab)을 구축하는 것을 목표로 하고 있다.

◇ 에너지 저장능력·안정성 높은 리튬이온 배터리 집전체 개발

고려대학교 화공생명공학과 조진한 교수팀과 한국에너지기술연구원 김병현 박사팀, DGIST 고용민 박사팀, KBSI(기초과학지원연구원) 김양수 박사팀은 전기화학적으로 활성화된 섬유 집전체를 구현해 고에너지 저장 성능 및 높은 전기화학적 구동 안정성을 동시에 지닌 리튬이온 배터리용 텍스타일 집전체 전극 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.

기존 상용화된 리튬이온배터리 음극은 평판 형태의 구리 포일(Cu foil)위에 에너지 저장 기능을 갖는 활물질을 코팅해 사용하고 있으나 구리 포일 자체의 에너지 저장 성능은 거의 무시될 정도로 미미해 집전체로만 사용됐다.

이번에 공동 연구팀은 계면 상호작용을 이용해 다공성 섬유 지지체에 탄소나노튜브와 금속 나노입자 기반의 전도성 박막을 도입하고 추가로 전기도금을 진행, 구리층을 섬유가닥 표면에 균일하게 코팅시켜 높은 비표면적과 전기전도성이 동시에 확보된 우수한 섬유기반 집전체를 개발했다.

◇ 부경대 고민성 교수, 차세대 배터리 양극재 합성법 제시

국립부경대학교는 고민성 교수(금속공학전공) 연구팀이 이차전지 등 차세대 배터리에 사용되는 하이니켈 삼원계 ‘LiNixCoyM1-x-yO2(M=Mn or Al, x≥0.8)’ 양극재의 새로운 합성법을 제시했다고 18일 밝혔다.

부경대 고민성 교수와 채수종 교수(공업화학과), 매사추세츠 공과대학교(MIT) 윤문수 박사와 황재성 박사(UNIST 졸업) 등으로 구성된 연구팀은 80% 니켈 조성의 하이니켈 양극재인 NCM(니켈·코발트·망간)을 전구체(precursor) 합성에 필수적으로 요구되는 공침공정 없이 단일 열처리만으로 단결정 양극재를 제작할 수 있는 새로운 건식 합성방법을 발표했다.

고민성 교수는 “새로운 개발 공정을 적용해 생산된 고용량의 차세대 양극재는 단가 절감이 가능할 것으로 예상되며, 리튬이차전지뿐만 아니라 전고체 배터리에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

◇ 디스플레이 산업에 5년간 65조원 투입

산업통상자원부는 18일 서울 중구 코트야드 메리어트 서울 남대문에서 이창양 산업부 장관 주재로 ‘디스플레이 산업 혁신전략 원탁회의’를 열어 우리나라 디스플레이 산업의 발전 방향과 전략을 논의했다고 밝혔다. 삼성디스플레이·LG디스플레이·삼성전자·한솔케미칼 등 기업과 학계·기관 관계자들이 회의에 참석했다.

이와 관련, 기획재정부는 최근 디스플레이 핵심 기술 5개를 조세특례제한법 상 국가전략기술로 지정했다. 또 산업은행·신용보증기금 등 주요 금융기관은 신규 패널시설 투자와 디스플레이 장비 제작자금 등에 약 9000억원의 정책금융을 공급하기로 했다. 산업부는 “5년간 65조원 규모의 설비·R&D 투자가 실행되면 관련 소부장(소재·부품·장비) 기업에는 109조원의 연관 효과가 발생할 것”이라고 했다.

투명·확장현실(XR)·차량용 등 디스플레이 분야 미래 먹거리로 꼽히는 3대 신시장 개척 지원도 강화한다. 정부는 신시장 육성에 향후 5년간 약 740억원의 예산을 투입해 3대 융복합 시장 매출을 2022년 9억달러에서 2027년 150억달러 수준으로 키운다는 목표를 제시했다.