◇ 15분 만에 전기차 충전하는 기술 나왔다

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과, 교원창업기업 에스엠랩 공동 연구팀이 전기차 배터리를 15분 만에 충전할 수 있는 단결정 양극(+) 소재를 개발했다. 이번 기술을 활용하면 기존 음극(-) 소재를 그대로 쓰면서 고속충전을 반복할 때 발생하는 수명 저하도 막을 수 있다.

전기차에 들어가는 리튬이온 배터리를 급속충전을 반복하면 전지의 양극과 음극에서 부반응(side reaction)이 발생해 수명이 급격히 떨어진다. 급속충전을 하면 리튬이온이 음극의 흑연 입자 내부로 들어가지 못하고 전해액과 반응해 손실된다. 반면 양극에서는 빠른 속도로 리튬이 드나들게 된다. 이런 충전과 방전이 반복되면 부피가 팽창해 리튬이온이 오갈 수 없게 된다. 즉, 수명이 저하된다는 것이다.

연구팀은 음극에는 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재와 표면구조를 바꿔 고속충전 특성을 개선했다. 현재 쓰이는 배터리의 양극 소재는 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 다결정 형태이고 니켈 함량이 80%, 단가가 비싼 코발트 함량이 5% 이상이다. 이에 연구팀은 니켈 함량을 97%까지 높이고 코발트 2% 미만으로 줄여 가격경쟁력까지 높인 단결정 소재로 양극을 만들었다.

◇ 2차전지 폭발위험 물질로 추가 용량 확보...역발상 연구 나왔다

2차전지의 폭발 위험성을 낮추는 동시에 이를 활용해 전지의 추가 용량을 확보하는 역발상 연구 결과가 나왔다.

고민성 부경대 금속공학과 교수 연구팀은 흑연 음극재의 용량을 초과하는 충전 진행 시 흑연 표면에 형성되는 리튬을 효과적으로 제어하고, 이를 통해 용량을 늘리는 연구 결과를 재료·에너지 분야 국제학술지인 'Journalof Materials Chemistry A'에 게재했다고 11일 밝혔다. 흑연 음극재에 결함이 있는 탄소나노튜브의 성장을 유도해 리튬을 제어하는 방법이다.

2차전지의 흑연 음극재는 용량이 낮은 단점 외에도 과도하거나 불균일한 충전 진행 시 흑연 표면에 수지상(樹枝狀) 리튬 형성이 문제점으로 지적됐다. 수지상 리튬은 가역성이 낮아 전지 성능의 열화를 일으키고, 지속적인 성장 시 전기적 단락으로 화재나 폭발을 일으키는 원인으로 지목됐다.

고 교수 연구팀은 매사추세츠 공과대학교(MIT) 성재경 박사, 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(PNNL) 김남형 박사와 공동 연구를 진행해 전지 안정성을 위협하는 수지상 리튬으로 흑연 음극재의 용량 한계를 극복하는 방안을 찾아냈다. 2차전지의 결함을 강점으로 승화시킨 셈이다.

◇ 대전시, 나노·반도체산업 육성 나선다...330만㎡ 이상 규모 산업단지 조성

이장우 대전시장은 14일 시청 브리핑실에서 나노·반도체 산업 육성을 위한 비전을 제시했다.

주요 내용은 나노·반도체 부품·소재 실증평가원 설립으로 기업지원, 산업단지 조성으로 새로운 산업생태계 구축, 국제 경쟁력 강화를 위한 기술지원 및 전문 인력 양성 등이다. 먼저 대전이 잘 할 수 있고 선점할 수 있는 분야에 대한 선택과 집중을 위해 나노·반도체 부품·소재 실증평가원을 설립을 추진할 계획이다.

실증평가원이 설립되면 지역 중소기업은 비용과 시간을 절감하고 평가 결과에 대한 신뢰성을 검증받아 시장 진출 및 기업 경쟁력을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

반도체 가치사슬별 유망기업 및 연관기업을 집적화하기 위해 330만㎡ 이상 규모의 나노·반도체 산업단지도 조성한다. 반도체 부품·소재 산업을 유치하고 나노·반도체 소부장 테스트베드 등 관련 시설을 조성해 산업생태계를 구축한다는 계획이다.

◇ 반도체 인력난 풀기 위해… 과기정통부 ‘계약정원제’ 추진

과학기술정보통신부는 반도체 인재 양성을 위해 대학 내 기존 반도체 학과들의 정원을 한시적으로 늘려주는 ‘계약정원제(가칭)’를 교육부와 협의해 추진하기로 했다. 반도체 같은 첨단분야 우수 연구자들에게 최대 10년간 연구개발비를 지원하는 ‘한우물파기’ 프로그램도 내년부터 도입한다.

15일 용산 대통령 집무실에서 열린 과기정통부 업무보고에서 이종호 장관은 이 같은 내용을 윤석열 대통령에게 보고했다. 

계약정원제는 반도체를 포함해 인력난 해소가 시급한 분야에서 대학들이 관련 학과 정원을 일정 기간동안 늘릴 수 있도록 하고, 대학과 기업이 각각 기초교육과 응용교육을 나눠 맡는 제도다. 그간 반도체학과를 신설하려해도 정원이나 교원수 제한 등으로 인해 어려움이 있었는데, 계약정원제를 통해 이같은 제약을 풀어주겠다는 것이다. 과기정통부 관계자는 “기존학과 내 정원을 한시적으로 추가하려면 먼저 교육부의 관련 규정 개정이 필요하다”고 말했다.

◇ GIST, 새로운 반도체 열 제거 '퀀텀 방열 기법' 제시

광주과학기술원(GIST)은 조영달 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 열 전달체인 음향포논의 파동성에 대한 연구에 집중해 최근 새로운 반도체 열 제거 '퀀텀 방열 기법'을 발견했다고 14일 밝혔다.

음향포논은 열과 소리의 최소단위인 포논의 한 종류로 소리와 열의 전달자이다. 고체에는 다양한 주파수를 가진 음향포논이 존재하며 특히 테라헤르츠 주파수 대역은 열 전도를 결정한다. 주요 열 전달자임에도 불구, 빛의 분산곡선과 교차하지 않기 때문에 빛으로 전환이 안 되는 것으로 알려져 있다.

그동안 관련 업계에서 발열부하를 해결하기 위해 방열판을 이용하거나 냉각팬을 결합하는 공랭식 방열은 실생활에서 익숙하다. 열의 전달은 전도, 대류, 복사 등의 방법으로 이뤄지는데 반도체는 다양한 물질들로 층층이 쌓여 있어 전도를 방열 패키징에서 중요하게 다뤄왔다.

조 교수팀은 열 평형 이전의 음향포논 복사 메커니즘을 발견하고 음향포논 파동을 빛으로 전환하는 새로운 방법을 반도체 핵심소재인 실리콘에서 실험적으로 규명했다.

◇ KAIST, 대량·고농도 일산화탄소 고부가가치 바이오케미칼 전환 기술 개발

한국과학기술원(KAIST은 조병관 생명과학과 교수팀이 산업 부생가스 등으로 대량 발생하는 고농도 일산화탄소(CO)를 고부가가치 바이오케미칼로 전환할 수 있는 '생체촉매 기반 C1 바이오 리파이너리 기술'을 개발했다고 15일 밝혔다.

연구팀은 아세토젠 미생물을 생체촉매로 활용한 C1 가스 바이오 리파이너리 기술을 개발했다. 이 미생물들은 혐기성 미생물들로 '우드-융달 대사회로'라는 매우 독특한 대사회로를 이용해 C1 가스로부터 아세트산을 만드는 미생물로 알려져 있다.

다만 이런 아세토젠 미생물을 생체촉매로 활용해 산업 부생가스를 활용하는 기술은 독성가스인 CO 농도가 문제로 작용한다. 이 미생물은 60% 이상 고농도 CO 조건에서는 생명 활동이 저해 받아 생체촉매로 사용할 수 없다. 산업 발생 C1 가스는 10~70% 정도 CO가 포함되된다. CO 저항성을 높이는 것이 필수다.

연구팀은 아세토젠 미생물 중 하나인 '유박테리움 리모좀 균주'를 고농도 CO 조건에 지속 노출해 내성이 뛰어난 돌연변이체(ECO2)를 발굴했다. CO가 60% 이상 포함된 합성가스 조건에서 야생형 미생물보다 약 6배 정도 빠른 성장 속도를 보였다. 세계에서 가장 빠른 속도다.