[Weekly 신기술 및 정책소식] 화재 위험 없는 차세대 수계아연전지 수명 문제 해결

◇ '저전력 구동' 멤트랜지스터 개발 성공…메모리 반도체 소재 제약 풀리나

국내 연구팀이 기존의 전이금속 기반의 멤트랜지스터에 비해 저전력으로 구동이 가능한 새로운 소재(III-V족 원소 기반 반도체)의 멤트랜지스터 개발에 성공했다. 메모리 반도체의 소재 제한성을 해결할 수 있는 가능성을 보여줬다는 평가다. 

과기정통부는 미래소재디스커버리사업과 기초과학연구원 프로그램으로 심우영 연세대 교수 연구팀이 수행한 이같은 연구 성과가 재료 분야의 국제 학술지 '네이처 머터리얼스'에 게재됐다고 28일 밝혔다. 

지금까지 개발된 멤트랜지스터는 높은 전력을 필요로 하고 소자 간 성능 차이가 크다는 문제가 있었다. 또한 대부분 전이금속 물질로 구성돼 있어 사용할 수 있는 소재가 제한적이었다.

이에 심우영 교수 연구팀 등은 기존 높은 전력소모와 제한된 소재 활용 한계를 극복하는 신소재를 발굴하는데 초점을 두고 연구를 수행했다.

◇ 내년부터 '과충전 예방' 전기차 충전기만 보급된다

내년부터 과충전 예방 기능이 탑재된 전기차 충전기만 설치된다.

28일 환경부 내년도 예산안을 보면 내년엔 전력선통신(PLC) 모뎀이 장착된 '스마트 제어 완속충전기'만 새로 설치된다.

PLC 모뎀이 장착된 충전기는 전기차로부터 배터리 상태 정보를 받아 과충전되는 것을 방지할 수 있다. 급속충전기는 대부분 PLC 모뎀이 장착돼있지만, 완속충전기는 최근에서야 모뎀이 장착된 모델이 보급되기 시작했다.

◇ 한양대 정문석 교수 연구팀, 차세대 광전자 메모리 기술 개발

한양대 물리학과 정문석 교수 연구팀이 2차원 반도체와 폴리머를 결합한 하이브리드 구조를 활용해 새로운 광전자 메모리를 개발했다고 29일 밝혔다.

최근 전자기기 산업은 '모어 댄 무어(More-than-Moore)' 트렌드에 따라 단순한 소형화를 넘어서 기능의 다양화를 추구하고 있다.

그러나 기존의 폰 노이만 구조 기반 광전자 기억장치들은 광학 감지와 데이터 저장을 위한 센서와 메모리가 물리적으로 분리돼 있어 에너지 소비 및 데이터 전송 속도 면에서 비효율적이라는 단점이 있다. 

한양대 정문석 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 2차원 반도체 소재에 내재된 결함 준위를 활성화하는 방법에 주목했다. 

◇ KAIST 연구팀, 원전 폐수 섞인 삼중수소 획기적 제거 촉매 개발

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 한국원자력연구원 박찬우 박사 연구팀과 원전 폐수에 함유된 삼중수소 제거 공정을 위한 새로운 구조의 이중기능 소수성 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다. 이중기능은 액체 상태의 물은 차단하고 기체 상태의 수증기는 통과하는 성질을 말한다.

이 촉매는 특정 반응 조건에서 최대 76.3%의 반응 효율을 보였으며, 특히 지금까지 밝혀진 바가 거의 없는 수백 ppm 수준의 저농도 동위원소에 대한 촉매 작용을 하는 것을 확인했다.

연구팀은 금속-유기 골격체(MOF)와 다공성 고분자의 복합체 형태의 새로운 구조의 삼중수소 제거 촉매를 개발했다. 

이는 평균 약 2.5나노미터(nm) 지름의 백금 입자를 금속-유기 골격체에 고르게 분포시키고, 이후 화학적인 변형을 통해 소수성을 부여하는 구조다.

◇ “전기차 폭발·열 폭주 예방”…한·미 연구팀, AI 배터리 열관리 시스템 공동 개발

광주과학기술원(GIST)은 이승현 기계공학부 교수팀이 김성민 성균관대 교수, 이쌈 무다와 미국 퍼듀대학교 교수팀과 함께 열전달 기술 분야의 고질적 문제를 해결한 혁신적인 기계학습 응용 기술을 개발하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

드라이아웃은 열 유속이 증가하게 되면 증열에 대한 액체 공급이 계속되지 않고 액막이 끊어져 전열면이 증기에 의해 건조하게 되는 것을 말한다. 이 상태로 열 유속을 임계 수치까지 높이게 되면 해당 시스템의 열전달 효율이 급격히 떨어지게 되며 전열면에서 급격한 열파괴가 일어난다.

일반적인 최초 드라이아웃 발생 예측 방법은 주로 경험적 상관관계와 해석적 모델에 의존하고 있다. 다양한 유체 및 채널 기하학 구조에 따른 복잡한 현상을 해석하는 데 한계가 있다. 한미 공동 연구팀은 미니·마이크로 채널 내의 포화비등유동에서 발생하는 초기 드라이아웃 발생 건도(포화 혼합물의 증기 질량 분율)를 예측하기 위해 고성능 기계학습 알고리즘 가운데 하나인 '엑스지부스트(XGBoost)'를 사용해 기존 경험적 상관관계 및 해석적 모델보다 더 높은 예측 정확도 2.45%를 달성했다.

◇ 아주대 참여 산학 공동 연구팀, 청정 수소 생산 핵심 ‘센서 시스템’ 개발 나서

26일 아주대와 엠엔텍·이노테코·비퍼플·동서발전·전남테크노파크로 구성된 산학 공동 연구팀은 ‘수전해용 방폭형 수소 및 산소 센서 시스템 개발’ 사업에 선정됐다고 밝혔다. 이 사업은 산업통상자원부·에너지기술평가원이 주관하는 에너지기술개발사업의 일환으로, 사업기간 36개월·사업비 56억원 규모다.

수전해 수소 생산 방식은 폭발을 일으키는 ‘브라운 가스’를 만들어 낼 수 있어, 이에 대한 우려가 컸다. 단일 반응셀에서 수소와 산소가 동시에 생성되어 두 기체가 시스템(분리막) 결함이나 차압에 의해 혼입될 경우 브라운 가스가 형성될 수 있는 것. 실제로 수소와 관련한 크고 작은 폭발 사고는 주로 수전해 장치에서 발생해왔다.

이에 수소-산소 기체의 혼입을 사전에 인지하고 폭발로 이어지는 것을 차단하기 위해서는 미량의 수소와 산소를 정확히 감지할 수 있는 센서 기술이 꼭 필요하다.

◇ 포스텍, 차세대 ‘리튬-황 배터리’ 성능 확 높였다

포스텍은 화학공학과·친환경소재대학원 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨, 박민선 씨 연구팀은 니켈-코발트(Ni-Co) 황화물 촉매에 질소 도핑된 탄소나노튜브를 결합해 리튬-황(Li-S) 배터리의 안정성과 충전·방전 속도를 획기적으로 개선하는 데 성공했다고 29일 밝혔다. 

리튬-황 배터리가 상용화되기 위해선 해결해야 할 과제가 많다. 이 중 하나는 리튬 폴리설파이드(LiPS)의 ‘용출 현상(Shuttle effect)’이다. 배터리를 충·방전하는 과정에서 리튬 폴리설파이드라는 중간 물질이 생성한다.

이 물질은 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 이동하며 불필요한 화학 반응을 일으키고, 그로 인해 배터리 효율과 수명, 용량이 줄어드는 문제가 있었다.

연구팀은 리튬 폴리설파이드의 용출 현상을 억제하기 위해 니켈과 코발트가 포함된 황화물 촉매의 메커니즘을 규명했다. 

◇ 국립부경대·재료硏·GIST, 수소연료전지 수명 향상 기술 개발

국립부경대학교 나노융합공학전공 서민호 교수와 한국재료연구원 최승목 박사, 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 교수 연구팀이 세계 최초로 개발한 신 탄소물질을 전극의 제조 공정에 첨가제로 활용해 상용 수준의 고분자전해질연료전지 시스템의 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

친환경 고효율 전지로 주목받는 고분자전해질연료전지는 수소를 연료로 수소산화반응을 통해 전기를 생산하고, 반응 결과물로 물만 배출하는 발전 장치다. 하지만 기존 고분자전해질연료전지 시스템에서는 시동 온/오프 과정에서 1.4V 이상의 높은 전압이 발생해 촉매층의 탄소 부식이 가속화되고, 이에 따라 촉매층 붕괴 및 산소환원반응 시 생성되는 물이 전극 내부에 넘치는 현상(water flooding)으로 내구성이 급격히 감소하는 문제가 있었다.

◇ 화재 위험 없는 차세대 수계아연전지 수명 문제 해결

한국에너지기술연구원 우중제 박사와 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수 연구팀은 수계아연전지의 수명 저하 문제를 해결할 전극 제조 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 

차세대 이차전지로 꼽히는 수계아연전지는 물을 전해질로 사용해 화재 위험이 없고, 이론적으로 리튬 이온전지에 비해 2배 이상 높은 용량을 확보할 수 있다. 

하지만 충전 과정에서 음극 표면에 아연 입자가 길쭉하게 쌓이면서 덴드라이트(dendrite·수상돌기, 나뭇가지 모양으로 성장하는 현상)가 발생, 수명이 짧아진다는 문제가 있다. 

연구팀은 산화구리를 활용해 아연의 균일한 증착을 유도, 덴드라이트 형성을 제어하는 데 성공했다.