◇ 반도체·요소 등 핵심품목 해외 의존도 50% 이하로 낮춘다

오는 2030년까지 반도체·배터리·자동차 등에 쓰이는 주요 전략산업 소재(광물)·부품의 특정국 의존도를 50% 이하로 낮춘다.

최상목 부총리 겸 기획재정부 장관은 19일 관계부처와 합동으로 제3차 공급망안정화위원회(공급망위)를 열고 이 같은 내용을 담은 ‘제1차 공급망안정화 기본계획’을 발표했다. 이는 요소·인산이암모늄·흑연·갈륨 등 경제안보품목의 수급 안정화를 목표로 한 3년 단위 계획이다. 

현재 주요 경제안보품목의 특정국 의존도는 평균 70%에 달한다. 에너지와 비철금속 등은 거의 전량을 수입하고 있고 반도체와 배터리, 전기차에 쓰이는 무수불산, 흑연, 희토 영구자석 등의 수입 의존도도 84~98% 수준에 이른다. 

정부는 이에 특정국 의존도를 오는 2027년 60%, 2030년까지 50% 이하로 낮추자는 목표로 △경제안보품목 수급 안정 △공급망 회복력 강화 △경제안보 기반 고도화 △글로벌 공급망내 위상 확립 등 4대 정책 방향을 정했다. 

◇ "2030년 전기차 420만대 보급 달성 불가…현실화해야"

정부의 전기차 및 수소차 보급 목표 달성이 현실적으로 불가능하다며 대폭 수정해야 한다는 지적이 제기됐다.

조철 산업연구원 선임연구위원은 20일 서울 중구 대한상의회관에서 열린 ‘제3차 산업부문 탄소중립 정책협의회’에서 ‘자동차산업 탄소중립 추진현황 및 과제’ 주제발표에서 “2024년 11월 말 현재 국내 전기차 보유 대수는 67만7000여대, 수소차는 3만7000여대에 불과한대다 2023년부터 판매 대수도 감소하고 있다”면서 이같이 지적했다.

그는 “정부가 목표로 설정한 2030년 누적 전기차 420만대, 수소차 30만대 보급목표는 달성이 불가능한 상황”이라고 진단했다. 현재 보유대수로 계산하면 2030년 전기차 보급목표 달성률은 16.1%에 불과해 남은 5년간 100%에 이르는 게 어렵다고 본 것이다.

◇ 산소 방출 막았더니, 차세대 배터리 양극재 수명 개선

포스텍은 홍지현 친환경소재대학원 배터리공학과 교수, 임국현 연구원 연구팀이 리튬이온 배터리 양극재로 주목받는 '리튬과잉층상구조소재(LLO)'의 구조 변화를 규명하고 산소 방출을 억제하는 전해질을 개발해 배터리 수명을 늘리는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 

연구팀은 LLO의 구조 불안정성이 배터리 충·방전 과정에서 방출되는 산소와 관련이 있다는 사실에 주목했다. 양극과 전해질 사이 계면의 화학적 안정성을 강화하면 산소 방출을 막을 수 있다는 가설을 세우고 전해질 조성을 개선했다.

실험 결과 양극과 전해질 계면 안전성이 증가하면서 산소 방출량이 크게 줄었다. 기존 전해질 사용 시 300회 정도 충·방전을 반복하면 배터리 에너지 보존율이 37.1%로 감소했다. 연구팀이 개발한 전해질을 사용한 결과 700회 충·방전 후에도 에너지 보존율은 84.3%를 유지했다.

◇ 건국대 연구팀, 중수소 활용 신소재 개발…차세대 디스플레이 기술 선도

건국대학교는 이위형 재료공학과 교수(교신저자)팀이 노스웨스턴대학교 이정훈 박사(재료공학과, 제1저자), 충남대학교 구자승 교수(유기재료공학과, 교신저자)와 공동으로 중수소를 활용한 새로운 소재 기술을 개발해 차세대 디스플레이 기술의 안정성과 성능을 크게 향상할 수 있는 방법을 제시했다고 20일 밝혔다.

중수소는 수소의 동위원소로, 원자핵에 중성자가 하나 더 있는 독특한 구조를 가지고 있다. 자연계에 극미량 존재하지만, 이러한 구조적 특성 덕분에 첨단 소재 개발에서 새로운 가능성을 열어주고 있다. 중수소는 차세대 디스플레이 기술에서 전자 소자 성능과 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 하고 있다.

연구팀은 중수소를 포함한 절연성 고분자(PMMA, PS)를 유기 반도체와 혼합해 새로운 방식의 상분리 구조를 제안했다. 이를 통해 활성층에 중수소를 직접 도입하지 않아도 고이동도와 열적 안정성은 물론, 지속적인 전압에 따른 성능 안정성을 동시에 개선할 수 있었다.

◇ KAIST 연구팀, 자기장 변화 이용 초저온 냉각장치 개발

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 정상권 교수 연구팀이 값비싼 냉매를 사용하지 않고 소형의 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 최초 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 세계 최초로 자기장 변화를 이용해 절대온도 0도에 가까운 온도를 구현하는 방식의 단열 탈자 냉동기와 흡착식 냉동기를 통합한 구조를 제안하고 이를 구현, 절대온도 0.3K(섭씨 -272.85도)의 냉각 온도를 달성했다.

일반적으로는 동위원소인 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합물을 이용한 희석식 냉동기가 사용됐으나 비용이 많이 들고 기체 순환 장치가 요구돼 시스템의 크기가 거대한 단점이 있다.

◇ 한양대 정문석 연구팀, 다크 엑시톤 발광 구현 성공…광전자 공학 혁명

한양대학교가 한양대 물리학과 정문석 교수 연구팀과 포항공과대학교 박경덕 교수 연구팀이 세계 최초로 상온에서 다크 엑시톤(dark exciton)을 발광시키는 새 기술을 개발했다고 16일 발표했다. 

엑시톤은 전자와 홀 결합으로 형성된 준입자다. 엑시톤은 빛을 방출하는 특성이 있어 광전자 소자에서 활용되는 브라이트 엑시톤(bright exciton)과 빛을 방출하지 않아 광전자 소자에서 활용이 어려운 다크 엑시톤(darkexciton)으로 구분된다. 

다크 엑시톤은 강한 결합 에너지와 긴 수명을 지니고 있어 높은 잠재력을 가짐에도 불구하고 기존 기술로는 저온이나 강한 자기장환경에서만 발광 가능해 실용화가 어려웠다. 정문석 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 2차원 반도체를 이용해 상온에서 다크 엑시톤을 대면적으로 발광시키는 방법을 고안했다.

◇ 서강대 백서인 교수 연구팀, 새 촉매 찾는 생성형 AI 모델 개발

서강대학교 화공생명공학과 백서인 교수 연구팀(제 1저자: 목동현 박사과정생)이 ChatGPT로 잘 알려진 언어 모델 GPT 구조를 활용해 촉매를 생성하는 생성형 AI 모델을 개발하였다. 

최근 ChatGPT를 비롯한 언어 모델이 급속히 발전하며, 이를 소재 역설계에 활용하려는 시도가 증가하고 있다. 특히 언어 모델 기반의 무기 결정 구조 역설계가 기존 역설계 방법들에 비견할 만한 성능을 보인다는 연구 결과가 꾸준히 보고되고 있다. 이러한 배경에서 백서인 교수 연구팀은 언어 모델의 간단한 텍스트 표현법에 주목하고 복잡한 촉매 표면의 역설계에 적합한 생성 모델인 “Catalyst Generative Pretrained Transformer (CatGPT)”를 개발하였다. 

연구팀은 촉매 표면 구조를 격자 상수, 원소 기호, 좌표값으로 나타낸 연속적인 텍스트로 변환하고 이를 언어 모델에 학습시켜, 모델이 촉매 표면을 나타내는 텍스트를 생성할 수 있도록 설계했다. 그 결과 약 90% 이상의 확률로 물리적으로 타당하며 실제 촉매와 유사한 촉매를 생성할 수 있었다. 

◇ AI로 연료전지 고장 원인 찾는다…분석 속도 100배↑

국에너지기술연구원은 정치영 박사 연구팀이 인공지능(AI) 기술을 이용해 수소 연료전지 소재의 미세 구조를 분석하는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 

카본 섬유지는 수소 연료전지의 물 배출과 연료 공급을 돕는 핵심 소재다. 탄소 섬유, 바인더(접착제), 코팅제 등으로 구성돼 있으며 반복 사용 시 물질의 배열과 구조, 코팅 상태 등이 변하면서 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다. 

연료전지 상태 진단을 위해서는 카본 섬유지의 미세구조를 신속하게 분석하는 것이 중요한데, 카본 섬유지 샘플을 파손해 전자현미경으로 정밀 분석하는 기존 방법은 시간이 오래 걸린다는 한계가 있다. 

연구팀은 X선 진단과 인공지능(AI) 기반 이미지 학습 모델을 활용, 카본 섬유지의 미세구조를 신속하게 분석하는 기술을 개발했다.

◇ 이산화탄소→고품질 나노탄소 공정기술 세계 최초 개발

국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)를 고품질 나노탄소로 전환하는 공정을 세계 최초로 개발했다.

한국생산기술연구원(생기원)은 탄소경량소재그룹 김정필 수석연구원, 양정훈 선임연구원 연구팀이 이산화탄소를 경제성 높은 고품질의 나노탄소로 전환하는 기술을 개발해 이차전지 소재로 활용하기 위한 후속 연구에 돌입했다고 16일 밝혔다.

이번에 연구팀은 이산화탄소에서 탄소성장을 방해하는 산소(O)를 빼내기 위해 수소(H₂)와 반응시키고 이를 통해 생성된 메탄(CH₄)을 열분해하는 방식으로 고품질 나노탄소를 제조하는 데 성공했다.

열화학촉매 반응기를 활용해 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 공정이나 메탄을 열분해 시켜 탄소나노튜브를 제조하는 공정은 기존에도 있었지만 반응기 내의 가스조성을 분석해 탄소나노튜브의 정밀한 구조를 규명한 것은 이번이 처음이다.