전자선 기반 반고체 배터리 제조 기술…차세대 배터리 제조 응용 한국원자력연구원은 첨단방사선연구소 정찬희 박사 연구팀이 '전자선 기반 반고체 배터리 제조 기술'을 개발했다고 13일 밝혔다. 배터리를 구성하는 인화성 액체 전해질에 대해 배터리 밖으로 새거나 불이 나면 큰 피해를 줄 수 있는 단점이 제기돼왔다. 반면 이 기술을 이용하면 액체 배터리보다 성능이 떨어지지 않고, 화재·폭발 안전성이 향상된 반고체 배터리를 제조할 수 있다. 반고체 배터리는 배터리 내부에서 양극과 음극에 리튬이온을 전달하는 물질(전해질)이 겔 형태(반고체)인 배터리를 뜻한다. 연구팀은 상온에서 화학반응을 일으키고, 투과력이 높아 배터리 내부까지 도달할 수 있는 전자선의 특징에 착안해 전자선을 쬐면 액체가 반고체 형태로 변하는 전자선 감응형 반응물을 개발했다. 이 물질을 활용해 개발된 반고체 배터리는 액체 전해질 배터리와 같은 수준의 성능을 보였다고 연구팀은 설명했다. 정찬희 박사는 "배터리 내부에 반고체 전해질이 빈틈없이 고르게 형성돼 성능은 뛰어나면서 겔 형태로 밖으로 유출되지 않아 안전성을 확보했다"며 "안전성이 더 강화된 차세대 전고체 배터리 제조 기술 개발에도 응용할 수 있을 것"
폐목재를 유용한 화합물 만들며 남는 전자 활용한 수전해 기술… Nature Comm. 게재 나무에서 나온 찌꺼기로 유용한 화합물을 만들고, 이 과정에서 얻은 전자(electron)로 ‘태양광 수소’를 생산하는 기술이 개발됐다. 태양광으로 만든 전기에너지만으로 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있어 ‘그린 수소’ 상용화의 기대감이 높아졌다. 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 류정기·장지욱·장성연 교수팀은 목질계 바이오매스 중 ‘리그닌’만 분해해 고부가가치 화합물을 얻고, 이 과정에서 추출된 전자를 태양광 수소 생산에 쓰는 ‘고효율 수전해 기술’을 개발했다. 이 기술에는 페로브스카이트 광전극이 쓰였으며, 외부 에너지 공급 없이 태양광 에너지만으로 수소 생산이 가능하다. 이번 연구 결과의 가장 큰 특징은 그래핀 복합체를 이용해 투명전극의 저항을 기존보다 20배 이상 낮췄다는 점이다. 이로써 휘어지는 디스플레이나 회로, 센서 등으로 활용할 수 있는 전자피부도 구현할 수 있었다. 박장웅 교수는 “기존에도 전자피부나 전자타투 등의 연구가 이뤄졌지만, 회로나 패턴들이 그대로 보이는 문제가 있었다”며 “이번 연구로 구현한 전자피부는 모든 물질을 투명하게 만들었기 때
국립금오공대가 리튬이차전지용 '리튬화합물 음극 소재' 개발에 성공했다고 4일 밝혔다. 금오공대에 따르면 신소재공학부 전지신소재연구실 박철민 교수 연구팀이 '고성능 리튬이차전지용 신개념 리튬화합물 음극 소재' 개발에 성공했다. 고용량의 이차전지를 구현하기 위해서는 리튬 금속 및 실리콘을 음극 소재로 사용해야 하지만 현재 상용화되고 있는 흑연 음극 소재는 제한적 용량으로 인해 고용량 이차전지를 구현하는 데 어려움이 있다. 리튬 금속은 금속 자체의 높은 반응성으로 인해 안전성에 대한 우려가 있고 실리콘 음극은 충전 및 방전 시 수명이 저하되는 한계를 가진다. 또 이런 음극들은 초기 충전 시 일정량의 리튬이온이 영구 손실되는 문제도 있다. 연구팀은 이런 기존 음극 소재의 한계를 극복하기 위해 다양한 '리튬화합물 음극 소재' 개념을 새롭게 제안했다. 리튬화합물 음극 소재는 기존 상용화된 음극 소재들과 비교해 더 높은 초기 효율과 용량, 그리고 출력 특성을 보였다. 또 리튬화합물 음극은 일반적인 대기 중에서도 높은 안정성을 보였다고 연구팀은 전했다. 박철민 교수는 "이번 성과는 리튬이차전지는 리튬을 포함하는 양극소재 및 리튬을 포함하지 않는 음극소재로 구성된다는 기존
에너지밀도 높인 무음극 이차전지 공동 연구 1회 충전으로 오래 쓸 수 있으면서도 음극재가 없는 이차전지가 개발됐다. 이 전지를 전기차에 적용하면 1회 충전으로 450㎞ 주행할 수 있는 일반 전기차보다 훨씬 긴 630㎞를 달릴 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 포항공과대학교(포스텍) 화학과 박수진 교수·통합과정 조성진 연구팀은 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 서동화 교수·김동연 박사 연구팀과 공동으로 오래 쓸 수 있는 무음극 이차전지를 개발했다고 지난달 27일 밝혔다. 일반적으로 이차전지는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재 구조를 바꾼다. 이 때문에 시간이 갈수록 이차전지 용량이 줄어들곤 했다. 연구팀은 음극재 없이 음극 집전체만으로 충·방전이 가능하면 이차전지 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 수 있다는 데 주목했다. 다만 이 경우 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 없어 음극 부피가 크게 팽창해 이차전지 수명이 악화한다는 단점이 있다. 연구팀은 이온 전도성 기판을 더해 무음극 이차전지를 통상 사용하는 카보네이트 용매 기반 액체 전해질에서 구현하는 데 성공했다. 이 이차전지는 고용량, 고전류밀도로 오랫동안 높은 용량을 유지했고
기능성 금속 칼코게나이드 잉크 개발…Nature Communications 논문 발표 전자제품 등에 들어가는 작은 부품에는 수많은 회로 등이 그려진다. 이 작업을 패터닝(Patterning)이라고 하는데, 비싼 장비를 쓰는 복잡한 공정을 거쳐야 한다. 그런데 최근 사진을 뽑아내듯 간단하게 패터닝하는 기술이 나와 주목받고 있다. UNIST 손재성-이지석 교수팀은 빛을 받으면 굳는(광경화성) ‘금속 칼코게나이드 잉크’와 이를 활용한 광학인쇄공정을 개발했다. 금속 칼코게나이드는 발광 특성, 전기적 특성 등을 가져 다양한 소자에서 중추적인 역할을 할 수 있는 무기물인데, 이를 쉽게 패턴화할 수 있는 길이 열린 것이다. 연구진은 이 기술을 이용해 2차원(2D), 3차원(3D) 구조체와 ‘마이크로 열전 소자’ 제작도 성공해 기존 공정을 대체할 ‘무기물 소재의 패턴화 기술’로서 가능성을 입증했다. 기존 소재 패터닝은 빛으로 소재를 깎아내는 포토리소그래피(Photo-lithography)나 레이저 및 전자빔(e-beam)으로 회로를 새기는 기술이 활용됐다. 그런데 이런 공정은 비싸고 복잡하며 처리 시간도 길다. 여기에 대한 대안으로 빛을 이용해 소재를 쌓아올리는 ‘광학 3
블라자 스위스루브의 ‘Synergy 735’ 절삭유는 가장 온도가 높은 칩의 주위를 짙은 안개처럼 감싸고, 기름기 같은 상태로 변하면서 강력한 윤활성이 있는 에멀전을 형성함으로써 밀링 커터가 칩을 이상적인 형상으로 제거하도록 돕는다. 실제로, 금속가공유 전문가들로 구성된 블라자 스위스루브의 테크놀로지센터에서 금속 절삭의 순간과 칩 형성, 금속가공유의 변화를 좀 더 정밀하게 사진과 동영상으로 촬영하는 실험을 했다. 연구팀은 고속 카메라를 금속가공유와 일정한 거리를 두고 촬영하여 아주 선명하고 정밀한 이미지를 얻을 수 있었다. 적절한 조명을 제공하기 위해서 원형 조명이 사용됐으며, 이 특별한 실험을 위해 Helix 기울기가 0°로 특별히 제작된 초경 커터를 사용했다. 그 결과 고속 촬영은 기름이 포함되지 않은 수용성 금속가공유인 Synergy 735의 원리 및 메커니즘, 즉 고온에서 향상된 윤활 효과가 절삭가공 중에 발생하였고 밀링 공정을 최적화하기에 충분히 빠른 것을 보여줬다. 블라자 스위스루브의 마크 블라자 대표이사는 “우리는 테스트 과정에서 절삭가공 공정을 가장 섬세한 부분도 놓치지 않고 분석한다”며, “이러한 전문성과 데이터를 통해 생산비용을 낮추고 공구
공정의 효율을 이끌어내기 위한 기본적인 방법 중 하나는 ‘끊김 없는 공정’이다. 문제 발생 후 해결을 위한 공정 중단은 생산성을 저하시키고, 시간 연장 등의 비효율을 가져오기 때문이다. 그렇다면 문제가 생기기 전, 미리 이상 징후를 탐지할 수 있는 예지보전은 무엇보다 중요하다. 마크베이스의 AIoT Suite 적용 사례로 본 프레스 장비 모터의 이상 감지를 돕는 방안에 대해 소개한다. 예지보전은 데이터를 수집해서 데이터 내부에 포함된 이상징후를 감지하고, 탐지된 결과를 분석 후 조치하는 과정이다. 때문에 유지보전은 공정의 효율을 높이기 위한 필수사항이다. 최근 OT 단의 컴퓨팅 파워가 좋아지면서 실시간으로 쏟아지는 데이터를 안정적으로 수집하고 저장해 전처리 과정을 거쳐 현장이 원하는 데이터의 형태로 만드는 것이 무엇보다 중요해지고 있다. 예지보전의 과정에는 수집/저장, 전처리/학습, 실시간 데이터 흐름, 패턴, 사용자 유지보수 등의 어려움이 있다. 예지보전을 예측하기 위해선 학습을 위한 장기간 데이터 모두의 수집이 필요하다. 데이터 수집 후, 대용량 수집 데이터에 대한 학습 데이터 추출이 필요한데, 데이터 전처리 시간 및 비용이 기하급수로 증가해 큰 어려움을
산업AI 기반 예지보전 솔루션은 핵심 산업 설비의 건전성과 고장 진단 및 예측하여 산업 사고 예방, 다운타임 및 불필요한 관리비용 최소화, 설비 운용 최적화 등 현장의 고질적인 문제를 해결하고 디지털 트랜스포메이션을 견인한다. 산업AI 예지보전 솔루션으로 완성하는 스마트제조 환경은 어떤 모습인지 솔루션 사례를 들어 살펴본다. 산업AI가 필요한 이유 국내 산업이 직면한 도전 과제와 산업AI 기반 예지보전 솔루션의 필요성에 대해서 알아보겠다. 먼저, 국내 제조 산업에 산업AI가 왜 필요한지부터 간단하게 짚고 넘어가 보자. 첫째, 지속적인 품질 개선이 필요하기 때문이다. 한국데이터산업진흥원이 발표한 2020년도 자료에 따르면, 제조 산업에서 품질 이슈로 인해 낭비되는 비용이 매출 대비 10%에서 많게는 15%에 이른다. 이 비용을 2~3%만 줄여도 상당히 많은 낭비 요소를 없앨 수 있다. 둘째, 인력의 노후화에 따른 지식의 증발 때문이다. 현재 우리나라 제조 산업의 근로자 평균 연령은 42.5세로, 이 수치는 10년 전보다 3.3세~3.5세 높다. 선진국과 비교해서도 매우 빠른 속도로 증가하고 있어 산업 현장에서 큰 문제로 대두될 우려가 있다. 근로자들이 노후화가
예지보전의 첫 걸음은 데이터를 통해 의사결정할 수 있는 시스템을 마련하는 데부터 시작된다. 그리고 예지보전 목표를 향해서 구축 단계 및 프로세스 정립을 해나가는 것이 반드시 필요하다. 하지만 최종 목표를 향해가는 여정의 단계는 결코 쉽지만 않다. 예지보전을 목표로 중소·중견기업의 단계별 추진 방안과 설비 데이터를 활용한 통합 모니터링 및 분석 플랫폼 도입 사례를 소개한다. 예지보전의 첫 걸음은 데이터를 통해 의사결정할 수 있는 시스템을 마련하는 것이 가장 중요한 포인트이다. 그 단계를 보면, 먼저 제조 현장에는 설비나 로봇, 센서에서 다양한 데이터가 발생한다. 이러한 하위 레벨의 데이터들은 ERP, MES, CMMS, SCM 등 제조 인프라 시스템과 연동하여 모니터링 및 분석을 통해 생산과 품질에 영향을 미치는 문제점을 파악할 수 있다. 그리고 이렇게 도출된 데이터들은 생산, 품질뿐만 아니라 설비, 에너지에 대한 부분까지 정확한 의사결정을 돕는다. 최근엔 데이터 기반의 스마트공장들이 구축되면서, 근무환경 개선 및 불필요한 업무를 제거해 생산성과 업무 효율성이 증가하고 있다. 또한, 관리자가 문제 원인을 파악하고 구체적인 개선 계획을 수립해 데이터를 통한 관리
전북대 도안티루루엔 박사…환경공학 분야 학술지에 게재 전기자동차나 모바일 기기 등에 활용되는 리튬-이온 배터리를 대체할 리튬-황 배터리의 용량 저하와 내부 쇼트를 해결할 분리막이 개발됐다. 16일 전북대학교에 따르면 도안티루루엔 바이오나노융합공학과 박사의 이 연구내용을 담은 논문이 환경분야 세계적 학술지 '어플라이드 카탈리시스 비: 인바이러멘탈(Applied Catalysis B: Environmental' 온라인판 최신호에 게재됐다. 도안티루루엔 박사는 리튬-황 배터리가 갖는 분리막 문제를 해결하기 위해 분리막 소재 표면에 폴리스티렌 마이크로 구체와 그래핀, 촉매를 각각 코팅해 3차원 형상의 새 분리막을 개발했다. 그는 새 분리막이 효과적으로 다황화물 확산을 제한하고 쇼트를 억제해 리튬-황 전지의 용량, 수명, 안정성을 향상하는 결과를 도출했다고 설명했다. 도안티루루엔 박사는 "좀 더 안정된 고용량의 리튬-황 배터리의 분리막을 개발하는데 정진하겠다"고 밝혔다. 헬로티 김진희 기자 |
국내외 6G 역량 갖춘 기관과 활발히 협력 … 6G 원천기술 확보 박차 LG전자가 6G 테라헤르츠(THz) 대역에서 실외 320m 무선 데이터 송수신에 성공, 다가오는 6G 시대에도 고객경험 혁신을 이어간다. LG전자는 최근 독일 베를린에 위치한 프라운호퍼 하인리히-헤르츠 연구소에서 6G 테라헤르츠 대역(155~175GHz)을 활용해 실외에서 통신 신호를 320m 거리까지 전송하는 데 성공했다고 밝혔다. 이는 지난해 8월 실외 100m 무선 송수신 성공에 이어, 약 1년 만에 이룬 쾌거다. 당시 LG전자와 프라운호퍼 연구소는 6G 테라헤르츠 대역에서 전력 증폭기를 공동으로 개발, 출력 신호를 세계 최고 수준인 최대 15dBm까지 끌어올린 바 있다. 이번 성공은 일반 도심에서 사용하는 기지국의 셀 커버리지가 250m 수준이라는 점에서 특히 의미가 크다. 실내는 물론, 실외 도심 지역 전반에서 6G 테라헤르츠 통신을 상용화하는데 한 발 더 다가선 셈이다. 6G 테라헤르츠와 같은 초광대역은 주파수 도달거리가 짧고, 안테나 송/수신 과정에서 전력 손실이 심하다. 때문에 이를 해결하기 위한 송신 전력을 끌어올리는 ‘전력 증폭기’와 수신 신호 품질을 향상시키는 ‘수신기
최근 디지털 트윈(Digital Twin)이 디지털 전환(DX)의 핵심 키워드로 부상하고 있다. 디지털 트윈이란 ‘현실 세계에서 수집한 다양한 정보를 가상 사계에서 분석하고 최적의 방안을 도출해 이를 기반으로 현실 세계를 최적화하는 지능화 융합 기술’을 의미한다. 디지털 트윈 및 디지털 전환 분야는 매우 광범위하다. 이 솔루션은 전체 제조공정 중 제품 생산 공정, 물류(부품 공급, 배포,….) 분야에 적용 가능하다. 본 내용을 통해 디지털 트윈 기술의 적용 방안 및 이에 연계되어 활용될 수 있는 기술에 대해 살펴보자. 기존까지는 공장을 새로 짓거나 특정 라인을 수정할 경우 사전 검토를 위해 물류 시뮬레이션을 활용하고 있었다. 하지만 물류 시뮬레이션 분야는 대부분 숙련자 또는 전문가의 의존도가 높은 가정 분석(What-if) 방식을 사용하고, 생산 계획 단계에서 사전 분석 및 검증용으로 주로 사용된다. 그리고 시뮬레이션에 현장 데이터를 반영하는데 대용량 데이터 처리와 시뮬레이션 가속 성능 등의 한계로 다양한 제약 조건이 발생할 수 있다. 이는 디지털 트윈을 구현하기 위해 생산 운영 단계까지 연계하는 과정에 중요한 요소이며 본 내용을 통해 실제 활용
한국철도기술연구원(철도연)이 도시철도 미세먼지의 주범인 철도차량의 휠과 레일이 접촉할 때 발생하는 미세마모 입자의 발생량을 줄이는 데에 성공했다. 도시철도의 가장 많은 미세먼지는 주행 중인 철도차량의 휠과 레일에서 나온다. 쇠로 된 차량의 휠과 궤도의 레일이 지속적으로 마찰하면서 미세마모 입자를 끊임없이 발생시키는 것이다 . 지하 구간을 달리는 도시철도에서 발생하는 미세마모 입자는 철도 터널, 승강장, 차량 실내 등으로 유입되어 승객과 유지보수 작업자 등 많은 사람의 건강에 좋지 않은 영향을 준다. 철도연은 미세마모 입자의 발생 원인인 마찰력과 마찰열을 줄이기 위해 접촉면에 물을 뿌려 미세마모 입자 발생량을 크게 저감시켰다. 도시철도 평균 주행 속도인 70km/h 영역에서 물을 뿌렸을 때 건조조건 대비 미세먼지 PM10 약 80%, 초미세먼지 PM2.5 약 50%의 발생량 감소를 확인했다. 철도연은 살수 실험 시 발생하는 수증기 및 미네랄을 제거한다면 실제 발생량을 더 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 미세마모 입자 발생량 저감 연구가 성공적으로 이루어지면 기존의 발생한 미세마모 입자 저감 기술과 함께 도시철도 지하 구간의 공기 질을 획기적으로 개선할 수
국내 연구진이 차가운 겨울철 냉기를 이용, 땅속에 저장했다가 한여름에 꺼내 하우스 등의 냉방에 이용하는 새로운 냉방 기술을 개발했다. 한국에너지기술연구원 에너지네트워크연구실 윤영직 박사 연구진이 겨울철 차가운 냉기를 이용해 여름철 농촌의 하우스 냉방에 이용할 수 있는 기포자가진동현상을 적용한 열교환장치 개발에 성공했다. 연구진이 개발한 열교환장치는 차가운 외기와 축냉조에 연결된 구불구불한 형태의 모세관 튜브와 튜브 내부의 냉매로 구성돼 있다. 그리고 땅속에는 냉기의 저장매체로 물이 축냉조에 보관돼있다. 겨울철에는 차가운 외부 공기와 상대적으로 덜 차가운 땅속 물이 온도 차이가 발생한다. 이렇게 열교환 장치 양쪽 끝에서 발생하는 온도차로 내부 냉매가 빠르게 진동하고 흐름이 발생하며 많은 양의 열을 빠르게 전달한다. 즉 땅속 물의 열이 더 차가운 외부로 방열되면서 물 온도는 점점 낮아져 매우 차갑게 되고 이를 여름까지 보관한 후 이용하는 것이다. 이때 열교환 장치 작동에는 외부 동력이 필요 없기 때문에 운전비용이 전혀 들지 않는다. 또한 물질의 상변화*를 통한 잠열을 이용하면 많은 양의 열을 전달할 수 있기 때문에 기존 열 교환 기술에 비해서도 에너지 소비량은
이현욱 교수팀 연구…액체 물질 실시간 관찰하는 신기술도 제시 논문 2편 학술지 '나노 레터스'에 잇달아 발표 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀이 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 배터리 개발 관련 논문 2편을 잇달아 발표했다고 12일 밝혔다. 첫 번째 논문에서는 차세대 배터리의 음극 소재(음극재)로 꼽히는 실리콘의 온도별 충·방전 특성을 분석했고, 두 번째 논문에서는 투과전자현미경(TEM)으로 액체 물질을 실시간으로 관찰하는 신기술을 제시했다. 첫 번째 논문 내용을 보면 실리콘은 상용화된 음극재인 흑연보다 10배 정도 용량이 커 고용량 배터리 소재의 후보로 손꼽히지만, 충전과 방전을 반복할수록 팽창하면서 단일 입자와 전자가 파괴된다는 단점이 있다. 연구팀은 실리콘을 차세대 음극재로 쓰려면 부피 팽창에 대비한 구조적 안정성을 확보하는 것이 최우선 과제라고 보고 온도별 부피 팽창과 파괴 거동을 분석했다. 연구팀은 방향성이 다른 3종류의 단결정 실리콘 웨이퍼에 전자빔으로 다양한 지름의 실리콘 나노 기둥을 제작한 후 기둥을 중심으로 배터리 셀을 조립해 전기를 충·방전하며 리튬과 실리콘 웨이퍼의 전기화학반응을 살폈다
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