2012년 9월 10일

자동차부품 지식연구회

(2012년 9월호)

참고자료 :	글로벌동향브리핑(GTB)
	녹색정보포털(GTnet)

CONTENTS

1

Overseas Science and Technology Trends

최신 해외과학기술동향 : 자동차, 연료전지

∙ 6인치 SiC 웨이퍼 개발	1

∙ 경량자동차의 미래를 밝혀주는 광 무선통신	2

∙ 내균열성의 경량부품 제작 위한 프로세스 개발	4

∙ 도요타와 듀크에너지의 인디애나 전기자동차 스마트그리드 시범사업	6

∙ 미래 전기 자동차에 동력을 공급할 그래핀으로 만들어진 배터리	7

∙ 미생물을 이용하여 다양한 탄소원을 연료로 변환하는 기술	10

∙ 세계 엔지니어 플라스틱 시장 조사	12

∙ 세계 최소·최경량의 EV 축전기용 DC 파워 릴레이 개발	15

∙ 수소 전원의 기관차를 시험 중인 영국	17

∙ 슈퍼커패시터를 위한 질소 도핑된 그래핀	18

∙ 실질적 조건에서 저렴한 촉매 사용해 연료전지 위한 수소 생산	21

∙ 아시아의 에너지저장기술 혁신, 스마트그리드 활성화 기여	22

∙ 연료전지 버스들을 위한 전력공급 시스템과 V2H를 개발하는 도요타	24

∙ 에너지 변환 및 저장이 가능한 자가충전 파워 전지	25

∙ 우수한 성능을 가진 연료전지 재료	27

∙ 일본에서 시작하는 플러그인 자동차 충전 인프라구조 인증 시험	29

∙ 자동차 부상을 감소시키는 충돌시험용 여성 더미 개발	30

∙ 자동차의 해킹 위협을 경고하는 보안 전문가들	32

2

해외과학기술동향

∙ 전기 생산을 위해 재활용되는 바이오연료 폐기물	34

∙ 전기자동차 위한 유럽 협력 연결	35

인프라구조 개발 프로젝트를 선도하는 히타치	35

∙ 전력회사, 전기자동차와 스마트그리드 결합에 상대적으로 소극적	37

∙ 중국의 리튬 이온 배터리 시장, 2016년에는 92억 달러로 성장	38

∙ 진보된 이미징 기술을 이용한 효율적인 연료전지 촉매 개발	39

6인치 SiC 웨이퍼 개발

[http://monoist.atmarkit.co.jp/, 2012-09-04]

- 덴소(Denso) 등 3사가 6인치 SiC 웨이퍼를 개발, EV 등의 대용량 인버터에 최적 / EV나 HEV 전용으로 우위성을 확보 -

덴소, 쇼와(Showa) 전공, 도요타((Toyota) 중앙연구소 등 3사는 결함수를 종래 대비 10분의 1로 삭감한 6인치 SiC(silicon carbide) 웨이퍼의 개발을 진행시키고 있다. 결함수의 삭감에 의해 전기 자동차(EV) 등의 대용량 인버터에 적절한 전류 용량의 큰 SiC 디바이스를 양호하게 제조할 수 있는 것이 특징이다.

3사는 차세대 파워 반도체인 SiC 디바이스의 비용 저감에 필수적으로 여겨지고 있는 직경 6인치(150mm)의 SiC 웨이퍼를 개발하고 있다. SiC 디바이스의 양산 시 제품 비율(우량품 비율)이나 전류 용량을 향상시키기 위하여 웨이퍼 표면의 결함수를 종래 대비 10분의 1로에 삭감하고 있는 것이 특징으로, 2015년 이후 6인치 SiC 웨이퍼를 이용한 SiC 디바이스의 양산이 목표이다.

SiC 웨이퍼로부터 SiC 디바이스를 제조할 때 최대의 문제점이 되는 것은 웨이퍼 표면에 있는 미소한 결함이다. 결함이 있는 부분에 제작한 SiC 디바이스는 결함이 없는 부분에 제작한 SiC 디바이스보다 불량품이 되는 확률이 높다. 이로 인해 결함수가 많은 SiC 웨이퍼를 이용하여 SiC 디바이스를 제조하면 제품 비율이 저하된다.

전기 자동차(electric vehicle, EV)나 하이브리드카(hybrid electric vehicle, HEV)에 탑재되고 있는 전력 용량이 수 10k~100kW급 인버터에는 100A 이상의 전류 용량을 가지고 있는 SiC 디바이스가 필요하게 된다. 이러한 전류 용량이 큰 SiC 디바이스를 제조하는 경우에도 SiC 웨이퍼의 결함수가 크게 영향을 준다. SiC 디바이스의 전류 용량을 크게 하려면 디바이스 1개당 면적을 넓게 확보할 필요가 있기 때문이다. 결함수가 많은 SiC 웨이퍼 상에서 면적이 큰 디바이스를 제조하면 보다 면적이 적은 디바이스를 제조하는 것보다도 디바이스 내에 결함이 존재할 가능성은 높아지므로 제품 비율은 저하된다.

3사는 6인치 SiC 웨이퍼를 제조할 때 이 결함을 큰 폭으로 삭감하는 기술 개발에 목표를 두었다. 현재 시판되고 있는 SiC 디바이스의 전류 용량은 5~10A 정도이지만 6인치 SiC 웨이퍼를 사용하면 약 20배의 100~200A의 전류 용량을 가지는 SiC 디바이스를 높은 제품 비율로 양산할 수 있다고 한다.

현 시점에서 일반적으로 입수 가능한 SiC 웨이퍼는 직경이 4인치(100mm)이다. 이것과 비교하여 6인치 SiC 웨이퍼이면 1매의 웨이퍼로부터 2배 이상의 수량으로 디바이스를 제조할 수 있으므로 SiC 디바이스의 비용을 큰 폭으로 삭감할 수 있다.

6인치 SiC 웨이퍼의 개발이나 양산에서는 미국의 화합물 반도체 메이커인 Cree나 신일본 제철 등이 앞서 있다. 덴소 등 3사는 결함을 큰 폭으로 삭감하는 기술에 의해 EV나 HEV의 인버터에 필요한 전류 용량이 큰 SiC 디바이스의 양산성으로 우위성을 확보하고 싶은 생각이다.

그리고 이번 개발 성과는 신에너지·산업기술 종합 개발 기구(NEDO)의 ‘저탄소 사회를 실현하는 신재료 파워 반도체 프로젝트’의 일부에서 진행되고 있다고 한다.

경량자동차의 미래를 밝혀주는 광 무선통신

[http://phys.org/news/, 2012-09-04]

어느 날, 조명 광선이 자동차 보닛 아래에 뒤섞여 있는 전선들을 대체하여 무게가 더 경량이며 더 연료효율적인 자동차의 제작이 가능토록 할 것이다. 또한, 뒷좌석의 승객들은 머리 위의 조명을 통해 전송된 음악을 듣거나 영화를 시청하기 위해 가시광선이나 적외선을 이용하게 될 것이다.

영국 워릭대학교(University of Warwick) 과학자들은 데이터 신호가 빛을 통해 이동하며 그것을 자동차에 사용할 수 있도록 광 무선통신에 대한 연구를 진행하고 있다. 그들의 연구는 이 대학교에서 최근에 개최된 광학 네트워크를 위한 국제회의(International Conference on Transparent Optical Networks)에서 발표되었다.

광 무선통신은 데이터를 전송하기 위해 토치 내에 사용되는 것과 같은 기본적인 LED를 사용할 수 있다. 광선이 보이지 않는 것이 최상의 조건인 상황에서는, 적외선이 대신 사용될 수 있다.

광 무선통신을 일정 기간 동안 항공분야에 사용할 것을 검토했지만, 워릭대학교 엔지니어링학과 과학자들은 개인 승용차 분야에 사용하는 측면을 전 세계적으로 적용하려는 방법을 검토하고 있다.

광 무선통신은 자동차 내부에서 온도 센서와 엔진관리시스템 사이 또는 브레이크와 차량 속도제한시스템 사이 등과 같은 엔진 부품 분야 내부 간의 통신에 이용될 수 있다. 게다가, 자동차 내부에서 엔터테인먼트용 멀티미디어 콘텐츠를 전송하기 위해 승객 좌석 위쪽으로 상부 조명 내부에 설치될 수 있을 것이다.

광 무선통신의 가장 큰 장점은 자동차에 설치되는 전선의 무게를 줄일 수 있는 것이며, 이것을 통해 자동차 전체 수명주기에서 상당한 연료의 절감이 가능할 것이다. 또한 이 방식은 LED와 적외선 소스가 제작하기에 그렇게 비싸지 않기 때문에, 제작 비용을 절감하며 전선을 유지관리하고 수리하는 비용을 거꾸로 절감할 수 있다.

또한, 혼잡한 대역폭으로 어려움을 겪는 무선 주파수 통신과는 달리, 광 무선통신 방식은 제한되지 않고 규제되지 않는 스펙트럼으로 말미암은 혜택도 있다. 모든 이러한 요소들이 결합하면, 이 시스템은 일반적으로 엔진 내부에 사용되는 구리 전선에 기반을 두거나 탄소섬유에 기반을 둔 시스템이 자동차 내부에서의 데이터 처리시스템으로 사용되는 것에 비해 상당한 장점을 가지고 있다. 무선 주파수 신호는 스마트폰과 운전자와 승객을 위한 핸즈프리 헤드셋 그리고 태블릿 PC와 같은 멀티미디어 관련 장치에 사용되고 있다.

Roger Green 교수는 "광 무선통신은 현재에는 상대적으로 덜 알려진 방식이다. 그렇지만, 어느 날 승객들이 머리 위의 조명에서 나오는 광선을 통해 TV를 시청하거나 전선으로 연결되지 않은 상태에서 엔진 부품들이 상호 통신하는 시점을 상상하는 것은 어렵지 않은 일이다. 우리는 이 기술이 곧 현실화될 것이라는 것을 믿고 있다. 그것은 자동차의 무게를 줄임으로써 얻게 되는 연료 절감에만 국한된 것은 아니다. 그 무게를 제거하는 것은 자동차 전체 수명주기에 걸쳐 연료 비용을 낮춘다는 것을 의미한다. 또한, 현재 대량생산되고 있는 단순한 LED 조명 소스를 사용하는 것처럼 설치하기가 매우 저렴하다. 그리고 전자기파 간섭의 감소와 우리가 많이 사용하는  데이터 통신으로 말미암은 과부하의 무선 스펙트럼과는 다르다는 것과 같은 다른 장점도 있다. 광 무선통신은 무선 신호를 위해 존재하는 기술적 그리고 관련 기준의 대역폭에 의해 제한되지 않는 장점도 가지고 있다"고 말했다.

내균열성의 경량부품 제작 위한 프로세스 개발

[http://www.fraunhofer.de/, 2012-09-05]

고강도 강철에서의 저온 균열(Cold cracking)은 자동차 산업과 기계제작 산업에서 품질보증 문제에 중요한 도전이 된다. 왜냐하면, 균열은 지금까지도 예측이 어렵기 때문이다. 새롭게 개발된 프로세스는 가능한 한 설계 단계에서 이러한 손상이 발생할 수 있는 중요한 조건이 사전에 예방될 수 있을지를 결정할 수 있다.

자동차, 지붕 구조체 그리고 교량은 같은 안정성을 유지하면서 더 경량화될 필요가 있으며, 이를 통해 에너지와 재료를 절감한다. 새롭게 개발된 고강도 강철은 아주 우수함이 필요한 경량 디자인에 적절하다. 왜냐하면, 이것은 극심한 스트레스도 견딜 수 있기 때문이다. 아직, 이 재료들은 단점도 가지고 있다. 강도를 증가시키게 되면, 용접할 때 저온 균열에 대한 자화율(susceptibility)도 증가하기 때문이다.

용접 조인트 부가 냉각될 때(전형적으로 200℃ 이하에서 발생한다.), 이러한 극소 크기의 파편이 생성될 수도 있다. 최악의 시나리오에서, 용접 이음매 부는 균열될 수도 있다. 이러한 이유로, 많은 산업분야가 이러한 유망한 고강도 강철을 도입하는 것을 주저하는 것이 현실이다.

독일 프라이버그에 위치한 프라운호퍼 연구소 재료 매카닉스 IWM(Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM)은, 독일 콧부스 브란덴부르크 기술 대학(BTU, Brandenburg University of Technology Cottbus) [Chair of Joining and Welding Technology LFT]과 공동으로 저온 균열을 더욱 잘 예측할 수 있는 새로운 프로세스를 개발했다. “우리는 부품의 설계 단계에서처럼 조기에 저온 균열의 가능성을 계산할 수 있으며 수정 조치를 통해 즉시 운영도 가능하다”고 프라운호퍼 연구소 IWM의 Frank Schweizer씨는 설명했다.

이러한 저온 균열이 발생하는 여부 그리고 얼마나 빠른지는 강철에 포함된 수소의 밀도가 어느 정도 높은지에 달렸기 때문에, 잔류 응력(residual stress)이 어떻게 변하는지, 그리고 그 미세 구조가 어떠한지를 알 수 있게 된다. 균열의 가능성을 예측하는 것은 지금까지는 어려운 것이었다. 제작회사들은 값비싼 시험을 시행했는데, 예를 들어 표본 부품에 계속 높은 인장 응력을 적용한 다음, 어떠한 스트레스 수준이 균열을 일으키는지 분석하는 것이다.

이러한 시험에는 시간이 많이 소비될 뿐 아니라 비용이 많이 들며, 그 발견을 통해, 일대일 방식으로 해당 부품에 적용하기 어렵다. 왜냐하면, 부품의 형태가 균열 조성에 결정적인 영향을 미치기 때문이다. 현재 이용 가능한 컴퓨터 시뮬레이션조차도 실제 부품에 바람직한 예측 정확성을 제공하는데 실패했다.

생산비용의 절감과 개발과정의 단축

새로운 접근법은 미래에는 이러한 비용이 많이 드는 방법을 확실히 감소시킬 것이다. 이를 통해, 개발과정을 단축하고 생산비용을 절감하게 될 것이다. 프라운호퍼 연구소 LFT 전문가들은 고강도 강철의 표본에서 발생하는 균열의 기준을 정밀하게 결정하기 위해 특수한 시험을 마련했다. 수소 함유량, 잔류 응력 그리고 동시에 조정 가능한 재료 구조체와 같은 기존의 영향 요소와 더불어, 그들은 용접 프로세스 과정에서 점증하는 온도 경사도를 고려했다.

IWM 전문가들은 랜덤한 부품과 형태에서도 저온 균열의 위험도를 분석하기 위해 이러한 기준을 가진 컴퓨터 시뮬레이션을 시행했다. “이러한 방법을 통해, 우리는 시뮬레이션되는 용접 프로세스 과정에서의 각 지점과 어느 시간에서도, 저온 균열의 위험한 용접 이음매 부의 해당 부위를 확인할 수 있게 되었다”고 Frank Schweizer씨는 설명했다. 또한, 연구진은 다른 대항조치의 효과가 어떠할 것인지에 대한 사전 확인도 가능하여, 필요한 조처를 할 수 있게 되었다. 그렇게 함으로써, 그들은 더욱 정밀한 튜닝을 위해 결과를 시뮬레이션 내에 다시 반영하였다.

미래에는 이 프로세스의 도움을 통해, 자동차와 기계 제작회사는 미리 중요하지 않은 용접 파라미터와 그 재료들의 제한된 조건들을 세부적으로 규정할 수 있을 것이며, 이를 통해 더욱 효율적이고 안전한 생산 프로세스를 실질적으로 만들 수 있게 될 것이다. 이 기술은 매우 적용하기 곤란한 프로세싱 창을 가지고 있거나 사전 그리고 사후 가열 온도가 필요한 등의 용접하기 어려운 재료에 특히 유용할 것이다. 프라운호퍼 연구소 IWM과 LFT는 Robert Bosch사 그리고 ThyssenKrupp Steel Europe AG사와 공동으로 고강도 강철도 제작된 레이저 빔-용접의 실증용 모델에 이 새롭게 개발된 프로세스를 적용하는 시험을 진행 중이다.

도요타와 듀크에너지의 인디애나 전기자동차 스마트그리드 시범사업

[http://www.environmentalleader.com/, 2012-08-30]

일본 도요타 자동차(Toyota Motor Company), 미국 듀크에너지(Duke Energy) 및 비영리 에너지산업 이니셔티브인 Energy System Network가 미국 인디애나에서 스마트그리드 시범사업에 참여한다. 이 프로젝트의 목표는 전력망 부하 균등화 및 최적화된 전기자동차 충전 체제 구축이다. 도요타는 인디애나폴리스 지역에서 듀크에너지로 전력서비스를 공급받고 있는 일반 가정에서 사용할 다섯 대의 프리우스 플러그인 하이브리드 자동차를 공급할 것이다. 더불어 각 가정에서 충전소와 가정 게이트웨이 통신시스템이 갖춰져 충전을 모니터링하고 최적화할 수 있게 할 것이다. 여기에서 수집된 데이터는 전기자동차와 전력망 간 통신시스템 성능을 평가하는데 활용될 것이며, 충전관리시스템의 효과성을 검증하는데 이용될 것이다.

이 프로젝트는 수요반응 시스템을 통해 전력망의 낮과 밤의 부하를 균등하게 하는데 목적이 있다. 수요반응 시스템은 Society of Automotive Engineers가 개발한 통신 기준에 바탕을 두고 있다. 이 기준은 자동차와 전력회사 간 양방향 디지털 통신 프로토콜을 제공한다. 이 프로젝트는 또한 다양한 요금 시스템을 통해 충전을 최적으로 관리하는데 적합한 체제를 개발하는 것을 목표로 한다. 사용자들은 자동으로 전기요금을 최소화하기 위해 비첨두부하 기간에 충전하는 등 그들 자신의 개인 충전전략을 설정할 수 있을 것이다. 이 프로젝트는 2013년 초에 시작될 예정이며, 약 1년간 지속된다.

지난 8월 초, GE와 풍력터빈 제조업체 Urban Green Energy는 소위 세계 최초의 전기자동차용 풍력전기 충전소를 설치하였으며, 2012년에 미국에서 상업 및 정부 고객을 대상으로 추가로 설치할 계획을 발표하였다. Urban Green Energy의 수직 풍력터빈과 GE의 전기자동차 충전 기술을 결합하고 있는 Sanya Skypump는 바르셀로나 근처의 Cespa의 본사에서 설치되었다.

한편, 일본 혼다(Honda)는 IBM, PG&E(Pacific Gas and Electric Co.)와 함께 전기자동차와 전력망이 서로 소통할 수 있는 솔루션 개발에 주력하고 있다. 이 프로젝트에서 개발하고자 하는 솔루션의 개념은 첨단 통신기술을 이용하여 전기자동차 소유주가 자동차 충전의 최적 시간을 아는 것이다. 이는 전력망 과부하를 피하게 할 뿐만 아니라 전기자동차 충전비용을 줄이는 효과를 가져 온다. 이 시스템은 또한 운전자가 자동차 배터리 상태에 따라 충전을 선택할 수 있게 해준다. 가령 배터리가 거의 고갈될 때까지 충전시기를 늦출 수 있다(참조사이트).

그리고 미국 GM은 2012년 초 자체의 스마트그리드 소프트웨어를 구글과 PJM과의 공동 프로젝트 일환으로 실증하였다. 참고로 PJM은 독립, 지역 송전망 운영회사(RTO)이다. PJM이 제공한 데이터를 이용하여 GM은 구글의 25대 Chevrolet Volts가 OnStar 소프트웨어를 이용하여 충전될 때를 제어할 수 있었다. OnStar의 Volt 사업 관리자 Paul Pebbles는 PJM이 만든 재생에너지 신호를 취득할 수 있었고, 실제로 Volt 충전 시 재생에너지 신호에 따라 충전이 이루어지도록 할 수 있었다고 강조하였다.

OnStar의 Pebbles는 상기 프로젝트에서 테스트된 어떤 스마트그리드 기술이 2014년 Volt에 적용될 수 있는가에 대한 질문에서 자동차업체인 GM이나 소프트웨어업체인 OnStar는 준비가 되어 있다고 강조한다. 그들은 실증사업을 넘어 상용화를 추진할 전력회사와 에너지 업체를 찾고 있다고 주장하였다. 즉, 전력회사만 적극적으로 나서면 상용화가 가능하다는 것이다

미래 전기 자동차에 동력을 공급할 그래핀으로 만들어진 배터리

[http://www.nanowerk.com/news2/newsid=26421.php, 2012-08-22]

미국 렌셀레어 공과대학(RPI; Rensselaer Polytechnic Institute) 소속 공학자들은 전 세계에서 가장 얇은 물질인 그래핀(graphene)으로 만들어진 종이 시트로 무수한 크랙, 기공 및 기타 결함 등을 지닌 흠집을 만들기 위하여 레이저 또는 카메라를 이용하여 종이 시트를 변형시켰다. 새롭게 만들어진 그래핀 양극(anode) 재료는 현재 리튬 이온 배터리(lithium-ion battery)에 사용되고 있는 상용 흑연(graphite) 양극보다 10배 이상 빠른 충전 또는 방전이 가능하다.

재충전이 가능한 리튬-이온 배터리는 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 전기 자동차 및 다양한 범위의 장치 등을 위한 산업 표준이다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도를 지니고 다량의 에너지를 저장할 수 있는 반면, 낮은 동력 밀도와 방전 에너지 또는 신속하게 에너지를 수용할 수 없는 단점이 있다. 이러한 낮은 동력 밀도는 휴대 전화 또는 랩톱 컴퓨터의 배터리를 충전하는데 한 시간이 소요되는 원인이며, 전기 자동차 엔진이 배터리에만 의존하지 못하고 가속 및 제동 같은 높은 동력의 기능을 수행하기 위하여 슈퍼캐퍼시터(supercapacitor)를 필요로 하는 이유가 된다.

나노 재료 전문가인 Nikhil Koratkar가 주도하는 렌셀레어 연구팀은 이러한 문제를 해결하고, 다량의 에너지를 보유할 수 있을 뿐 아니라, 에너지를 신속하게 수용하고 방출할 수 있는 새로운 배터리를 창출할 수 있는 방안을 찾았다. 이러한 혁신은 전기 자동차에서 복잡한 리튬 이온 배터리와 슈퍼캐퍼시터 쌍의 필요성을 피할 수 있을 것이며, 고에너지의 고출력 리튬 이온 배터리만을 기반으로 하는 보다 더 단순하고 수행력이 우수한 자동차 엔진으로 이어질 수 있을 것이다. Koratkar와 그의 연구팀은 의도적으로 그래핀에 결함을 생성시키도록 제어하여 만들어진 연구진이 개발한 새로운 배터리가 이러한 웅장한 목표를 실현하기 위한 중요한 단계가 될 것이라고 확신하고 있다. 또 이러한 배터리는 휴대 전화와 랩톱 컴퓨터에서 준의료 활동 종사자와 응급 처치자가 이용하는 의료 장치에 이르는 휴대용 전자 기기를 충전하는 데 소요되는 시간을 상당히 단축시킬 수 있을 것이다.

리튬 이온 배터리 기술은 훌륭하지만, 리튬 이온 배터리 기술은 다량의 에너지를 신속하게 방전 또는 수용하는데 불활성이며 자체적인 제한된 동력 밀도로 인하여 방해를 받는다. 연구진이 개발한 배터리 구조에서 결함이 공학적으로 제어된 그래핀 종이(defect-engineered graphene paper) 시트를 이용하여, 연구진이 이러한 한계를 극복하는데 도움을 줄 수 있다고 동 대학 기계공학과 교수인 Edward T. Crossan, John A. Clark 및 Koratkar 등은 밝혔다. 연구진은 이러한 발견이 상용화로 이어질 것으로 믿고 있으며, 전기 자동차와 휴대용 전자 기기 응용을 위한 전기 시스템 및 새로운 배터리 개발에 상당한 영향을 끼칠 수 있다고 연구진은 밝혔다.

이 연구의 결과는 2012년 8월 넷째 주 ACS Nano 저널에 발표됐다.

Koratkar와 그의 연구팀은 오늘날 리튬 이온 배터리 내 양극 재료로 사용되고 있는 흑연에 대한 가능한 대체물로 그래핀의 조사를 시작했다. 흑연의 단일 층은 연필 또는 우리가 바비큐를 할 때 연소되는 숯에서 일반적으로 관찰되며, 그래핀은 나노규모의 벌집 모양의 철망처럼 배열된 원자 두께의 탄소 원자 시트이다. 이전의 연구에서, 그래핀 양극을 갖춘 리튬 이온 배터리는 우수한 에너지 밀도를 나타냈지만, 낮은 동력 밀도를 지니며 이러한 상황은 충전 또는 방전이 신속하게 이루어지지 않음을 의미한다. 이러한 느린 충전 및 방전은 리튬 이온이 가장자리로부터 배터리의 흑연 양극을 물리적으로만 유입 또는 유출될 수 있으며, 그래핀의 개별적인 층의 길이를 가로질러 느리게 작동하기 때문이다.

Koratkar의 해결 방안은 거대한 그래핀 산화물(GO; graphene oxide) 시트를 생성시키는 이미 알려져 있는 기술을 이용하는 것이었다. 이 논문은 일상적인 프린터 종이의 두께에 관한 것으로 특정한 크기 또는 형태로 만들어질 수 있다. 이후 연구팀은 그래핀 산화물 종이 일부에 레이저를 노출시켰으며, 종이의 다른 시료는 디지털 카메라에서 볼 수 있는 단순한 플래시에 노출시켰다. 두 가지 사례에서 레이저 또는 플래시전구(photoflash)로부터 발생하는 그래핀 산화물에서 산소 원자가 구조로부터 극심하게 반발하기 때문에, 열은 문자 그래핀 종이 전체에 작은 충돌의 원인이 된다. 이러한 산소 탈출의 여파는 그래핀 시트에 무수한 크랙, 기공, 공동 및 결함 등을 지닌 우묵한 자국을 만들어냈다. 또 탈출하는 산소에 의해 생성된 압력은 그래핀 종이의 두께를 5배로 확대시켜 개별적인 그래핀 시트 사이에 거대한 공동의 생성을 촉진시켰다.

연구진은 이러한 손상된 그래핀 종이가 리튬 이온 배터리를 위한 양극으로 우수한 수행력을 지닌다는 것을 확인했다. 리튬 이온이 충전 또는 방전을 위하여 그래핀 시트의 전체 길이를 느리게 이동하는 대신에, 리튬 이온은 배터리의 전반적인 동력 밀도를 크게 증가시키는 그래핀의 안팎으로 신속하게 움직이기 위하여 지름길로 크랙과 기공을 이용한다.

Koratkar 연구팀은 연구진의 실험적인 양극 재료가 에너지 밀도의 상당한 손실 없이 어떻게 리튬 이온 배터리 내 상용 양극보다 충전 또는 방전 속도를 10배 이상 빠르게 하는지를 증명했다. 구조 전체에 산재하는 무수한 나노 규모의 기공, 크랙 및 동공 등에도 불구하고, 그래핀 종이 양극은 상당히 견고하고 1,000회의 충전/방전 주기 이상을 운영한 후 조차 성공적인 수행력을 이어갔다. 또 그래핀 시트의 높은 전기 전도성은 양극에서 효과적인 전자 이동을 가능하게 하여 고출력 응용을 위한 또 다른 필수적인 특성을 달성할 수 있게 해주었다.

Koratkar는 이러한 리튬 이온 배터리를 위한 새로운 그래핀 종이 양극(graphene paper anode)을 만드는 공정이 산업 분야에서 필요로 하는 정도로 용이하게 규모 면에서 확대될 수 있다고 밝혔다. 그래핀 종이는 특정 크기 또는 형태로 만들어질 수 있으며, 레이저 또는 카메라 플래시에 의한 광-열 노출(photo-thermal exposure)은 재현하기 용이하고 저렴한 공정이다. 연구진은 이 발견에 대하여 특허 출원했다. 이 연구 프로젝트의 다음 단계는 완전한 배터리를 구축하기 위하여 높은 동력의 음극 재료와 그래핀 양극 재료의 쌍을 구현하는 것이다.

<그림> 광-열적으로 축소된 그래핀의 SEM 단면 이미지가 확대된 구조를 보여주고 있다.

미생물을 이용하여 다양한 탄소원을 연료로 변환하는 기술

[http://www.renewableenergyworld.com/, 2012-09-05]

Ralstonia eutropha라고 불리는 토양 박테리아는 외부의 스트레스를 받았을 때 성장을 멈추고 대부분의 에너지를 복잡한 탄소 화합물을 만드는데 사용하는 경향을 갖고 있다. 이에 MIT 과학자들은 이러한 미생물에 새로운 유전자 기술을 적용하여 연료를 제조하고자 노력하고 있다. 여기서 연료는 이소부탄올(Isobutanol)이라고 불리는 제품으로, 휘발유를 대체하거나 혼합하여 사용할 수 있다.

바이오엔지니어링(Bioengineering) 기술을 통해 박테리아를 개발해온 MIT의 Christopher Brigham은 이산화탄소를 탄소원(Carbon Source)으로 사용하는 유기체를 얻기 위해 노력하고 있다. 여기서 사용되는 탄소원은 대기 배출에서 얻어지는 것으로, 온실가스의 주범으로 알려진 대기 중 이산화탄소를 연료로 변환할 수 있다. Brigham은 Applied Microbiology and Biotechnology 저널에 게재된 이번 논문의 공동 저자이기도 하다.

Brigham은 자연 상태에서 미생물의 필수적인 영양소는 제한되어 있다고 설명하였다. 따라서 미생물이 주위 환경에서 얻을 수 있는 영양소가 제한되었다고 판단되면 미생물은 나중을 위해 필수적으로 이들을 저장하는 ‘탄소 저장 모드’에 돌입한다. Brigham은 “미생물은 가용한 모든 탄소를 섭취하여 고분자 형태로 저장한다. 이러한 고분자는 석유화학 기반의 플라스틱과 물성이 유사하다”고 설명하였다. Brigham과 그의 동료들은 다른 유기체로부터 유전자를 가져와 삽입하고, 다른 유전자의 발현(Expression)을 조작하여 플라스틱 대신 연료를 만들 수 있는 유전자를 이용하였다.

연구팀이 CO2를 연료로 변환시킬 수 있는 미생물에 집중하였지만, 같은 미생물에 약간의 다른 바이오엔지니어링을 통하여 농업 폐기물이나 도시의 폐기물을 포함한 거의 모든 탄소자원을 연료로 변환시키는 일도 가능할 것으로 보인다. 실험실에서 사용된 탄소원은 당류인 과당(Fructose)이다. MIT 연구팀은 미생물의 유전자를 조작하여 탄소원을 이소부탄올로 변환하는 연속적인 공정을 성공적으로 선보였다. Brigham은 “연구팀은 상당한 양의 이소부탄올을 생산할 수 있다는 것을 보여 주었다”고 말했다. 이제 연구팀은 생산속도를 증가시키기 위해 시스템을 최적화하는 방안을 도출하고 산업 수준으로 공정 규모를 확대하기 위해 바이오반응기(Bioreactor)를 설계하는 것에 집중하고 있다.

미생물이 원하는 화학물질을 체내에서 생산하여 최종적으로 제품을 얻기 위해 미생물을 파괴해야 하는 일부 다른 바이오엔지니어링 시스템과 달리 MIT 연구팀이 개발 중인 R. eutropha는 자연스럽게 이소부탄올을 주위의 유체로 배출시킨다. 그리고 이러한 과정은 생산 공정을 멈추지 않고 연속적으로 필터링이 가능하다. 이에 대해 Brigham은 “세포 밖으로 연료를 끌어내기 위해 이송 시스템을 추가할 필요가 없다”고 밝혔다.

많은 연구팀들은 다양한 방법으로 이소부탄올을 생산하기 위해 노력하고 있다. 적어도 2개 이상의 회사는 이미 이소부탄올을 연료나 연료 첨가제, 화학제품 생산을 위한 공급원료로 사용하기 위해 준비하고 있다. 다른 바이오연료와 달리 이소부탄올은 현재의 엔진에 별다른 조작없이 사용될 수 있으며, 일부 레이싱용 자동차에는 이미 사용되고 있기도 하다.

세계 엔지니어 플라스틱 시장 조사

[http://www.group.fuji-keizai.co.jp/, 2012-08-29]

~ 2017년 시장 예측 ~

- 범용 엔지니어 플라스틱: 2011년 대비 30% 증가된 5조 5,315억엔

- 수퍼 엔지니어 플라스틱: 2011년 대비 32% 증가된 9,983억엔

- 기타 기능성 수지: 2011년 대비 21% 증가된 7,386억엔

일본 후지경제는 자동차산업 및 일렉트로닉스산업을 비롯한 다양한 산업의 발전과 함께 시장이 확대되는 엔지니어 플라스틱의 세계 시장을 조사하였고, 그 결과를 보고서 “2012년 엔지니어 플라스틱 시장의 전망과 글로벌 전략”에 정리하였다.

2011년 세계시장은 952만톤, 5조 6,379억 엔이었다. 지금까지 시장을 견인해 왔던 중국 수요의 정체가 영향을 주어 수량 기준으로 전년도 대비 2.7% 증가에 머물렀다. 한편, 금액 기준으로는 범용 엔지니어 플라스틱을 중심으로 가격이 상승하여 전년도 대비 11.0% 증가함으로써 수량 기준의 증가폭을 대폭적으로 상회하였다. 2012년도 유럽을 중심으로 세계 경제가 불안정한 움직임을 지속하고 있다. 시장 확대는 수량 기준으로 2011년을 상회하여 전년도 대비 4.2% 증가를 예상할 수 있지만, 하반기 동향에 따라서는 그 증가를 하회할 가능성이 있다. 장기적으로는 중국, 동남아시아, 인도, 브라질 등 경제성장률이 높은 신흥국의 수요 증가에 따라 확대되어 시장은 2017년에 1,231만톤, 7조 2,684억 엔으로 예측된다.

■ 중국시장(수요)

2011년 중국시장은 346만톤, 1조 7,314억 엔이었다. 수량 기준으로 세계 시장의 36%, 금액기준으로 31%를 차지하였다. 중국시장은 높은 경제성장률을 배경으로 순조롭게 확대되었지만, 2011년에는 하반기부터 엔지니어 플라스틱을 사용하는 일렉트로닉스 관련제품 등의 유럽수출이 고전하여 성장률은 둔화되었다. 단, 원료인 나프타 가격의 급등으로 가격 상승이 진행되어 금액 기준으로는 큰 성장을 이루었다. 2012년에는 수요가 상회하고 있다. 또한, 2012년 2사분기 이후에는 나프타 가격이 급락하고 있지만, 작년부터 지속된 가격 상승분이 반영되지 않아 다시 가격 상승이 검토되고 있기 때문에 시장은 수량 및 금액 면에서 모두 확대될 것으로 예상된다. 중국에서는 일렉트로닉스 산업뿐만 아니라 자동차산업의 엔지니어 플라스틱 수요도 확대될 것으로 예상된다.

<주목시장>

1. 폴리카보네이트(PC)

2011년 세계 시장은 320만톤, 1조 8,444억 엔이었다. 중국 및 기타 아시아 수요가 세계 시장의 과반수를 차지하고 있다. 중국에서는 특히 내륙부에서 수요가 증가하고 있다. 세계적으로 보면 각 폴리카보네이트 제조사 설비의 신설 및 증설에 의해 폴리카보네이트의 공급이 과잉되었지만, 중국에서는 예외적으로 수급이 잘 맞고 있다. 중국을 비롯한 기타 아시아, 중동에서는 폴리카보네이트 생산거점의 신설 및 증설이 진행되고 있지만, 이러한 증가분은 주로 중국에서 소비될 것으로 예상된다. 기타 아시아에서는 인도의 수요가 증가하고 있다. 일본에서는 사무용기구 및 전기전자부품의 생산거점이 해외로 이전해 있어 폴리카보네이트의 수요는 정체되어 있다. 신규 용도로서 스마트미터의 부품 및 부재 시장이 성장하고 있다. 앞으로도 시장은 폴리카보네이트의 비용 저감에 의한 폴리메틸 메타크릴산(polymethyl methacrylate, PMMA) 대체제로서의 촉진과 중국 및 인도의 수요 증가에 의해 2017년에는 429만톤, 2조 4,717억 엔이 예측된다.

2. 액정 폴리머(LCP)

2011년 세계 시장은 3.9만톤, 464억 엔이었다. 용도는 전기전자부품 특히, 커넥터가 큰 비중을 차지하고 있다. 태국의 홍수, 유럽 채무위기의 영향으로 컴퓨터용 커넥터의 수요가 정체되어 있지만, 스마트폰 시장의 확대로 부품 개수가 많은 스마트폰의 부품 및 부재의 수요가 많아 수량 및 금액 기준으로 전년을 상회하였다. 단, 전체적으로 수요가 정체되어 있어 2012년에는 수량 및 금액 모두 증가율이 둔화될 것으로 예상된다. 2017년에는 5.9만톤, 690억 엔이 예측된다.

시장은 큰 커넥터 제조사의 생산거점이 집중되어 있는 중국의 수요가 중심이다. 성장률도 다른 지역과 비교하여 높으며, 중국 수요에 의한 시장 점유율은 앞으로 더욱 높아질 것으로 예상된다. 일본은 성형기술 수준이 높고 커넥터의 하이엔드 제품을 생산하고 있다. 중국은 지속적으로 수요가 크며, 최근에는 스마트폰용 커넥터가 호조를 나타내고 있다. 동남아시아에서는 사무용기구의 부품 및 부재가 중심이 되었지만, 커넥터 제조사가 진출하기 시작하였으며, 앞으로 수요가 더욱 높아질 것으로 예상된다. 유럽에서는 주요 커넥터 제조사가 아시아로 생산거점을 이동하였지만, 기타 제조사에 의한 생산은 지속되고 있다.

3. 환상 폴리올레핀(COP/COC)

2011년 세계 시장은 2.2만톤, 249억 엔이었다. 동일본 대지진의 영향 및 텔레비전 생산이 세계 규모로 감소하여 텔레비전 부품 및 부재의 수요가 정체되어 시장은 횡보하고 있다. 2012년 이후에는 스마트폰용 광학 필름의 확대로 2017년에 수량 및 금액 모두 연간 9~10% 정도 확대될 것으로 예측된다.

일본에서는 액정 텔레비전용 위상차 필름의 수요가 정체되어 있지만, 스마트폰 및 태블릿용 위상차 필름의 수요가 확대되고 있다. 때문에 앞으로 2017년 수량 및 금액 모두 연간 12~13% 정도 확대될 것으로 예측된다. 또한, 위상차 필름 등 광학필름의 경우 제조체제 및 제조기술 면에서 국내 생산이 이루어질 것으로 예상된다. 또한, 포장필름 및 용기 등 포장재료의 수요가 증가하고 있다.

중국 및 기타 아시아에서는 광학렌즈가 주를 이루고 있다. 카메라를 탑재한 모바일 기구의 보급에 의해 시장은 2017년 수량 및 금액 모두 연간 7~8% 정도 확대될 것으로 예측된다. 일부 광학 필름의 생산도 시작되었지만, 실적은 적다.

기타 아시아에서는 스마트폰이 많은 대한민국의 수요가 큰 점유율을 차지하고 있다. 유럽 및 미국에서는 포장재료 및 주사기, 마이크로 플레이트 등 의료기구 및 기자재가 대부분을 차지하고 있어 안정적인 수요가 있다.	GTB2012080504

세계 최소·최경량의 EV 축전기용 DC 파워 릴레이 개발

[http://www.omron.co.jp/press/2012/08/e0821.html, 2012-08-28]

오므론은 독자적인 sealing 기술 및 새로운 자기 제어 방식을 이용한 세계 최소·최경량의 고용량 DC 파워 릴레이를 개발하였다. DC 파워 릴레이는 접촉기 / 차단기의 개폐가 일반적이며 직류 회로의 고전압 · 고용량 부하 영역을 개폐할 수 있는 릴레이이다.

최근 환경 보호에 대한 전세계적인 의식의 고조 속에서 지구 온난화, 대기 오염, 자원 고갈 등 환경 문제에 대한 해결책으로 신 재생 에너지의 활용과 CO2 삭감 등에 대한 노력이 다양한 분야에서 가속되고 있다. 특히 자동차 업계는 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차를 비롯한 청정 에너지 자동차의 시장 공급을 확대하고 있다. 또한, 자동차 메이커에게 있어서는 대용량 배터리를 탑재한 클린 에너지 자동차에서 DC 부하 제어에 대한 대응 기술이 중요하고 필수적이며, 동시에 차량의 주행 거리 신장 요구에 대한 대응이 필요하다. 따라서 회로 설계의 유연성을 높여 탑재 기기의 소형 · 경량화를 실현하기 위한 구성 요소가 필요하다.

· 주요 용도

1. 하이브리드 카, 전기 자동차로 대표되는 고전압 배터리를 운영하는 환경 대응차의 메인 릴레이, 프리 차지 릴레이(BDU(Battery Disconnect Unit)

2. 전기 자동차, 플러그인 하이브리드 차의 충전 전원 장치, 보조 장치

3. 연료 전지 코제너레이션 시스템과 태양광 발전 시스템 등의 전원 회로, 축전기

4. 산업 기기 (엘리베이터, 산업용 로봇, 각종 시험 장치 등)

· 기술 설명

◎ Sealing 구조

아크를 냉각하여 아크의 흐름을 저해할 수 있는 가압 가스를 봉입하고 있다. 이 가압 가스의 봉지 상태를 유지하기 위해 필요한 "세라믹 케이스의 봉지 구조"를 기존의 "상자형 세라믹"에서 "판상 세라믹"과 "금속 케이스" 조합으로 바꾸어 주로 접점 회로 (접점 단자) 구성의 완벽한 공간 내부 용적을 동급 유형 동등 이상 확보하고, 릴레이 본체의 소형화 · 경량화를 실현하고 있다.

◎ 새로운 자기 제어

아크 지연용 영구 자석과 접점 개폐부의 배치 공간 형상을 독자적으로 설계했다. 따라서 전류 방향에 좌우되지 않는 고속 아크 차단을 가능하게 하고 기존 직류 릴레이에서는 곤란했던 주요 접점 회로 (접점 단자)의 무극성화를 실현했다. 극성이 없기 때문에 설치 시 연결 방향을 고려하지 않아도 된다.

<그림 1> 개발된 DC 파워 릴레이

<그림 2> 밀봉구조

<그림 3> 새로운 자기 제어 방식

수소 전원의 기관차를 시험 중인 영국

[http://www.theengineer.co.uk/, 2012-08-28]

수소로 전원을 공급받는 기관차가 영국 잉글랜드 레스터셔(Leicestershire)에 있는 Stapleford Miniature Railway에서 성공적으로 시험 완료되었다. 영국 버밍험 대학교(Birmingham University) 엔지니어링 학생들과 교직원들에 의해 설계되고 제작된 이 프로토타입 기관차는 이 대학교 기계공학연구소가 지도한 대회의 성과물 중 하나로, 영국에서 운영된 이런 종류로서는 최초의 시스템이다.

이 협궤용 기관차는 하이브리드 디자인으로, 수소 연료전지와 납 축전지를 결합시켰다. 연료전지는 영구자석 모터를 구동시키고 축전지를 충전시키는데 사용되며, 연료전지는 부하 상에서 기관차가 가속할 때 피크 전력 수요를 감당하는데 도움을 준다.

Stephen Kent씨가 지도하고 Stuart Hillmansen 박사가 조언한 이 연구팀은, 연료전지는 1.1kW 등급이며 90A/h급 4개의 납 축전지는 추가로 13kW까지 낼 수 있다고 [The Engineer]에게 밝혔다.

‘이것은 기관차에 설치된 모터 구동에 충분한 것 이상이며, 합쳐서 약 4.4kW급이다. 짧은 순간에는 최대 등급 전류의 2배까지 모터를 작동시키는 것이 가능한데, 이것은 Stapleford Miniature Railway에서 실증화된 것이다. 이 정도의 용량은 예를 들어, 정지된 출발점에서 열차를 가속할 때 매우 유용한 수치이다. 그러므로 실제로 기관차는 피크 출력값을 8.8kW까지 낼 수 있다.’

수소는 축전지 자체만으로 작동되는 것과 비교해 볼 때 상당한 정도로 이동거리 범위의 확장이 가능하다.

5,000리터 이상의 수소가 상대적으로 낮은 압력에서 고체 상태의 금속 수소화물(metal-hydride) 탱크에 저장되어 있고, 시스템은 전형적으로 5바 정도에서 작동된다. 이것은 이 대학교의 수소-전원의 운하용 선박인 Ross Barlow호에 적용된 10개의 발전한 수소 저장 유닛 중 하나를 사용함으로써 이루어진 것이다. 이 정도의 수소량은 기관차가 400kg의 부하를 2,700미터 이상 견인하도록 하며, 2개의 추가 탱크가 더 먼 거리의 이동을 위해 설치될 수 있다.

또한, 기관차는 제동 에너지를 캡처하고 저장하며 재사용하기 위해 회생 제동을 사용하고, 동시에 적용 가능한 에어 서스펜션과 와이파이 연결을 통해 작동되는 터치스크린 방식의 원격제어시스템을 갖추고 있다. 연구팀은 터치스크린 방식의 원격제어 시스템이 윈도 7에서 작동되는 태블릿 컴퓨터에 기반을 두고 있으며, 기관차의 제어시스템은 National Instruments사의 [CompactRIO] 산업용 컴퓨터에 기반을 두고 있다.

"이 시스템의 소프트웨어는 강력하고 사용자 친화적인 제어시스템을 신속하게 개발하는 능력을 우리에게 제공하는 [LabVIEW]를 사용하여 개발되었으며, 우리에게 기관차에 설치된 다양한 범위의 센서와 신호를 모니터링하고 캡처할 수 있는 능력도 제공한다"고 연구팀은 말했다.

이 대학교의 전자전기 및 컴퓨터공학부의 Hillmansen씨는 멀리 내다보면서, 이 프로토타입은 수소 전원이 비전철화된 노선에서 운영될 미래의 열차를 위해 어떻게 사용될지에 대한 것을 제공했다고 말했다. 연료전지에 전원을 공급하는 금속 수소화물 저장탱크의 핵심 콘셉트는 전기 구동시스템을 구동시키기 위해 같이 작동하며, 미래에는 아주 타당성 있는 모델이라고 연구팀은 말했다.

연구팀은 현재의 기술을 사용하여 고속 여객열차에 맞는 충분한 전력을 설치하는 것은 어려울 것이지만, 지선이나 트램 노선과 같은 전력이 많이 소비되지 않는 노선에 이 기술을 보완하여 적용할 수 있을 것이라고 덧붙였다.

슈퍼커패시터를 위한 질소 도핑된 그래핀

[http://www.materialsviews.com/, 2012-09-08]

미국과 독일 연구진은 서로 다른 특성을 가진 그래핀들을 결합시켜서 뛰어난 성질을 가진 슈퍼커패시터를 만드는데 성공했다. 이 연구결과는 차세대 연료전지를 만드는데 큰 역할을 할 것이다.

재생 가능한 에너지원은 우리 사회에서 점점 더 중요해지고 있고, 효율적이고 지속 가능한 에너지-저장 기술에 대한 요구는 점점 더 증가하고 있다. 그래핀은 이중층 탄소 구조로 되어 있고, 에너지 저장을 위한 새로운 커패시터와 슈퍼커패시터를 개발하기 위해서 사용되는 중요한 재료 중 하나이다. 이것은 표면적, 기공 형상, 조성, 기능성 사이트 등의 변화와 같은 다양한 방법으로 전기적, 기계적, 화학적 구조를 변화시킴으로써 다재다예한 탄소 물질의 물리적 및 화학적 성질을 조절할 수 있다.

미국 위스콘신 대학(Wisconsin University)과 독일 막스-플랑크 연구소(Max-Plank-Institute)의 연구진은 서로 다른 개질을 가진 그래핀을 결합시키는데 성공했다. 연구진은 높은 기공 부피를 가진 질소 도핑된 그래핀 나노시트를 개발했다. 연구진은 이것을 C-NGNS라고 불렀다. Advanced Materials에 게재된 이 연구결과에서, 이번 연구진은 이전의 합성 문제를 극복할 수 있는 방법(균일한 질소 도핑을 달성하는 것)을 개발했고, 슈퍼커패시터에 적용할 수 있는 상당히 향상된 재료를 만들 수 있게 하였다.

그래핀 산화물은 개량된 허머스(Hummers) 방법을 사용해서 순수한 흑연의 산화 처리로 합성되었다. 10ml의 50%의 시안아미드(cyanamide) 용액은 완전히 건조될 때까지 90℃로 가열되고 100ml의 그래핀 산화물 용액(약 1.2mg/ml)이 첨가되었다. 그래핀 산화물/시안아미드 생성물은 그래핀 산화물의 표면 위에 C3N4 폴리머 박막을 형성하기 위해서 1시간 동안 400℃로 유지되었다. 2시간 동안 750℃와 900℃에서 추가적인 어닐링 후에, C-NGNS는 조심스럽게 수집되었고, 많은 전기화학적 특성 평가에 사용되었다.

시안아미드 용액의 서로 다른 양(0.5ml, 1.0ml, 2.0ml, 4.0ml)은 서로 다른 질소 도핑된 농도를 가진 NGNS를 제조하기 위해서 20ml의 그래핀 산화물 용액 속에 첨가되었다. 열적으로 환원된 그래핀 시트는 C-NGNS의 어닐링 프로세스로 그래핀 산화물의 직접적인 어닐링 처리에 의해 제조되었다. 화학적으로 환원된 그래핀은 상온의 스터링 하에서 환원제로서 NaBH4를 사용함으로써 제조되었다. 일반적으로 4.0g의 NaBH4는 200ml의 그래핀 산화물 용액 속에 첨가되었고, 혼합된 용액은 2시간 동안 스터링되었다.

매우 높은 기공 부피(3.42 cm3 g-1)는 이온을 흡수하고, 전자 전달을 촉진하고, 전기 저항 손실을 감소시키기 위한 풍부한 장소를 제공하는데, 이것은 탄소-나노구조 기반의 슈퍼커패시터의 성능에 중요한 요소이다. 동시에, C-NGNS는 높은 전도성과 뛰어난 기계적 강도를 가진 그래핀의 2차원 나노구조를 가진다. 높은 질소 농도(10% 까지)는 장시간 전기화학적 안정성을 가지게 하고, 공유결합된 질소의 균일한 분산은 뛰어난 주기성을 이끄는데, 이것은 재생 가능한 에너지원의 순환 성질에 특히 중요하다. C-NGNS의 뛰어난 성질 이외에도, 연구진은 매우 높은 수율을 이끌 수 있는 매우 매력적이고 경제적인 합성 방법을 제안했고, 이 방법은 대량 생산을 가능케 한다.

이런 독특한 질소 도핑된 그래핀 구조들은 높은 용량, 뛰어난 속도, 장시간 안정성을 가진 슈퍼커패시터을 위한 전극 물질로서 유망하다. 그러나 이것이 전부가 아니다. 에너지 저장 및 에너지 전환 시스템 이외에도, 이 재료는 흡수 또는 분리 목적에도 매우 유용하게 적용될 수 있다: C-NGNS는 알칼리성 용액에서 산소 환원을 위한 백금 기반의 촉매로서 높은 촉매 활성을 가진다. 이것은 다양한 연료 전지 시스템의 음극에 중요하다. 이 연구결과는 저널 Advanced Materials에 “Crumpled Nitrogen-Doped Graphene Nanosheets with Ultrahigh Pore Volume for High-Performance Supercapacitor”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adma.201201920).

<그림 1> C-NGNS의 TEM 사진.

<그림 2> 20 ml의 그래핀 산화물 용액 속에 서로 다른 양의 시안아미드 용액을 첨가함으로써 제조된 그래핀 산화물(GO)@p-C3N4의 TEM 사진.

<그림 3> C-NGNS의 모서리 부분의 HRTEM 이미지.	GTnet2012090028

실질적 조건에서 저렴한 촉매 사용해 연료전지 위한 수소 생산

[http://www.sciencedaily.com/releases/2012/08/120823112927.htm, 2012-08-27]

케임브리지대(University of Cambridge)의 과학자들이 (상온에서 대기 중의 산소로 둘러싸인 pH 중성인 물을 사용하는) 산업적으로 적절한 조건 아래에서 저렴한 촉매를 사용해서 물로부터 재생 가능 에너지원인 수소를 생산했다.

케임브리지대의 Christian Doppler 실험실의 책임자이며 EPSRC 연구원인 이 연구의 주저자 Erwin Reisner 박사는 “상승된 O2 농도 이하에서 활성을 가지는 H2 발생 촉매는 산업적인 물 분리 과정·물을 이루는 두 원소들을 분리하는 화학 반응·을 개발하려면 필수적이다. 실생활 장비는 대기 O2에 노출되고 또한 물 분리의 결과로서 O2를 생산할 것”이라고 말했다.

비록 H2가 가솔린이나 에탄올을 위한 ‘직접적인’ 대체물로서 사용될 수는 없지만, 연료 전지와 조합하여 연료로서 사용될 수 있는데, 이것은 이미 차와 버스들에서 사용 가능하다. H2는 현재 화석 연료로부터 생산되는데, 부산물로서 온실가스인 CO2를 만들어낸다; 그리하여 재생 가능하거나 깨끗하지 않다. 따라서, 태양광에 의한 물 분리와 같은 친환경적인 과정이 ‘친환경적이고 지속 가능한 H2’를 생산하기 위해서 필요하다.

과학자들이 마주한 많은 문제들 중의 하나는 실생활 조건-물에서, 공기 중에서, 상온에서- 아래서 기능할 수 있는 효율적이고 저렴한 촉매를 찾는 것이다. 현재, 귀금속 백금과 같은 매우 효율적인 촉매들은 너무 비싸고 더 싼 대안들은 보통 비효율적이다. 물과 대기 중 O2에서 작용하는 균일한 촉매 시스템은 지금까지 발전이 거의 없었다.

그러나, 케임브리지 연구자들이 비교적 저렴하고 풍부한 금속인 코발트를 포함하는 간단한 촉매가 pH 중성인 물에서 대기 중 O2 아래서 활성을 가지는 촉매로서 작용한다는 것을 발견했다. “지금까지 대기 조건 아래 물에서 효율적으로 수소를 발생시키는 저렴한 분자 촉매는 알려지지 않았었다. 그러나 그러한 조건들은 산업적으로 적절한 조건 아래서 미래의 에너지원으로서 수소를 발생시키는데 사용하기 위해서 필수적”이라고 Reisner 박사는 말했다.

“우리의 연구는 코발트와 같은 저렴한 물질들이 이 어려운 요구조건을 충족시키기에 적절하다는 것을 보였다. 물론, 이 촉매의 좋지 않은 안정성과 같은 많은 장애물들을 풀어나가야 하지만, 우리의 발견은 적절한 조건 아래에서 ‘친환경적인 수소’를 생산하는데 첫 단계를 제공한다”고 Reisner 박사는 덧붙였다.

그 결과는 촉매가 대기 중에서 작용하는 것을 보이며 연구자들은 이제 연료 H2와 부산물인 O2가 동시에 생산되는 태양 물 분리 장치를 연구하고 있다. 이 연구의 공동저자들인 Fezile Lakadamyali와 Masaru Kato는 “우리는 우리의 결과에 매우 흥분했고 태양광으로 구동되는 물 분리 시스템을 곧 성공적으로 만들 것이라는데 낙관적”이라고 밝혔다. 이 연구는 EPSRC, Christian Doppler 연구 협력, OMV 그룹의 지원을 받았다. 그들의 연구는 8월 23일 저널 Angewandte Chemie International Edition에 온라인 게재되었다.

[그림] 케임브리지대의 과학자들이 산업적으로 적절한 조건 아래에서 저렴한 촉매를 사용해서 물로부터 수소를 생산했다.

[참고 원문]

1. Fezile Lakadamyali, Masaru Kato, Nicoleta M. Muresan, Erwin Reisner. Selective Reduction of Aqueous Protons to Hydrogen with a Synthetic Cobaloxime Catalyst in the Presence of Atmospheric Oxygen. Angewandte Chemie International Edition, 2012; DOI:10.1002/anie.201204180

아시아의 에너지저장기술 혁신, 스마트그리드 활성화 기여

[http://www.ecoseed.org/, 2012-09-07]

컨설팅업체 Zpryme의 보고서에 따르면, 아시아 지역의 재생에너지 전력망 통합 노력과 에너지저장기술, 특히 배터리 솔루션 및 시스템의 기술 혁신은 아시아에서 스마트그리드 시장 활성화를 이끌고 있다. Zpryme에 따르면, 아시아의 스마트그리드 시장은 2015년까지 인도와 중국의 전력 인프라 업그레이드 사업에 의해 빠르게 성장할 전망이다. 그리고 발전용량을 보다 효율적으로 활용할 잠재력을 갖고 있는 전력저장장치에 대한 투자도 확대될 전망이다. 이 전력저장장치의 잠재력은 풍력 및 기타 재생에너지 보급 증가에 주력하고 있는 인도와 중국에서 크게 나타날 것으로 보인다.

인도는 전력산업에서 점증적인 변화보다는 새로운 기술을 적용하는 빠른 변화를 경험할 수도 있다. 실제, 인도는 미국과 중국에 이어 전 세계적으로 3번째로 스마트그리드에 많은 투자를 하는 국가이다. 미국 텍사스 오스틴 소재 컨설팅 기관인 Zpryme의 최근 연구보고서(India: Smart Grid Legacy)에 따르면, 인도는 2011년 11억 달러를 스마트그리드에 투자하고 2015년에는 19억 달러를 투자할 것으로 전망되고 있다. 인도의 성장하는 경제는 신뢰성 있는 전력공급 부족 문제로 위협받고 있다. 이에 정보는 자국의 전력망을 업그레이드하는 야심 찬 노력을 전개하고 있는데, 향후 5년간 260억 달러를 전력부문에 투자할 계획이다. 이 투자액은 스마트그리드 투자액과 별도로 책정되어 있다.(GTB2011100051).

중국 BYD와 SGCC(State Grid Corporation of China)는 스마트그리드 사업의 일환으로 세계에서 가장 거대한 배터리 에너지저장 스테이션 건설을 최근 결정하였다. 이 대형 유틸리티 규모 프로젝트는 Hebei 주의 Zhangbei 지역에서 추진될 예정이며, 140MW의 풍력, 태양에너지 등 재생에너지, 36MWh의 에너지저장장치 및 지능형 송전시스템을 결합시킨다. 현재 이 정도 규모의 재생에너지발전은 이루어지고 있지만, 상기 크기의 배터리 시스템은 존재하지 않는다. SGCC 시스템은 전례 없는 규모로 광대한 재생에너지 전기를 안전하게 전력망에 전송하는 안정적인 솔루션을 실증할 것이다. BYD가 연간 1GW의 태양광 패널을 제조하는 기업일지라도, 이 프로젝트에서의 역할은 축구장보다 더 큰 크기의 에너지저장 배터리를 제공하는 것이다(GTB2012010085).

그러나 단기적으로는 일본이 가장 큰 시장이 될 것으로 예상된다. 미국에서는 전력망에서의 저장장치 활용이 용량 대비 2% 수준에 머물러 있지만, 일본은 15%까지 확대할 계획이다. 일본의 새로운 전기가격 제도는 향후 9개월간 재생에너지 용량을 19,500MW에서 22,000MW로 확대시킬 것으로 일본 정부는 내다보고 있다. 2020년 에너지목표에서는 각 100GWh마다 25GW 이상의 저장장치를 갖추도록 할 계획이다.

Zpryme은 재생에너지의 전력망 통합과 관련해 아시아가 단순히 말로만이 아니라 실제로 차근차근 진보하고 있다고 주장한다. Zpryme은 스마트그리드가 실제로 성공할지에 대해 미온적인 사람들이 빨리 스마트그리드가 발전하고 있는 현실을 직시해야 한다고 주장한다. 아시아 지역의 스마트그리드 성장은 에너지 저장장치의 기술혁신과 맞물려 있다. 양수 및 공기압축 방식 저장기술이 현재 대규모 저장장치용으로 활용 가능하다. 그러나 첨단배터리 시스템, 초전도자기에너지저장, 플라이휠에너지저장 등의 다른 기술들도 대규모 저장장치용으로 발전 중에 있다.

전도성 섬유 배터리(Conductive Textile Batteries), 커패시터(Capacitors), 압전기(Piezoelectric devices), 용융염 저장장치(Molten Salt Storage), 회생제동(Regenerative Braking), 나노케이블(Nanocables), 니켈-아연(Nickel-Zinc) 전지, 하이드리노(Hydrino) 이론, 스프레이 배터리(Spray Batteries), 전기자동차 배터리의 재이용 등도 장래성을 보이고 있지만, 더 많은 연구개발이 필요한 상황이다. 한편 현재의 주류 전력망 저장장치들은 2022년까지 시스템비용이 kWh당 450달러 이하로 낮아지고, 그 때까지 상업적 규모로 시장에 진입할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

연료전지 버스들을 위한 전력공급 시스템과 V2H를 개발하는 도요타

[http://www.greencarcongress.com/2012/08/tmcfcb-20120831.html, 2012-09-03]

일본의 도요타 모터 코퍼레이션(Toyota Motor Corporation, TMC)은 가정용 전자 제품들과 같은 기기들에 전력을 공급하기 위하여 연료전지 버스 내에서 생산된 전기를 이용하는 외부 전력 공급 시스템을 개발해오고 있다. 새로운 전력 공급 시스템이 설치된 연료전지 하이브리드 버스 기반의 연료전지 버스는 최대 3kW의 전력을 공급할 수 있으며 100시간 이상 지속적으로 가정용 전기 제품들을 이용할 수 있게 만드는 2개의 전기선(AC 100V, 1.5kW)을 가지고 있다.

9월 2일에 일본 아이치현(Aichi Prefecture)과 도요타시(Toyota City)에 의해 수행된 재난 제어 교육의 비상용 전력 공급 교육 분야의 일부분으로서 이 시스템은 재난 제어 본부 텐트 내에 있는 대략 20개의 정보 표시 모니터에 전력을 공급한다.

연료전지 자동차들은 전기 자동차들보다 더욱 많은 양의 전력을 제공할 수 있다고 도요타사가 말했다. 그러므로 많은 양의 수소를 저장하고 있는 연료전지 버스들은 잠재적인 이동용 전력 공급 자동차들로서 잠재력을 가지게 된다. 이동용 전력 공급 자동차들은 재난 뒤에 만들어지는 피난 센터들과 같은 장소에서 사용될 수 있다.

또한 TMC는 연료전지 버스에서 빌딩에 설치되어 있는 기존의 전력선에 50시간 동안에 최대 9.8kW의 전력을 제공할 목적의 자동차-가정 연결 시스템(Vehicle-to-home(V2H) system)을 개발하고 있다. 도요타사는 이미 저중량 전기 자동차와 플러그인 하이브리드 자동차들을 위한 V2H 시스템을 개발하였다.

수소 탱크에 수소를 가득 채운 V2H 시스템을 가지는 연료전지 버스는 대략 5일 동안(매일 12시간 동안에 조명을 비추는 것으로 가정)에 평균적인 학교 체육관(대략 100kWh의 전력 소비를 가짐) 내에서 조명에 전력을 제공하는데 이용될 수 있다.

TMC는 도요타시 저탄소 인증 프로젝트(Toyota City Low-Carbon Verification Project)의 일부분으로, 2013년과 2014년에 연료전지 버스들을 위한 V2H 시스템을 시험할 계획을 가지고 있다. 이 프로젝트는 일본의 경제성(Ministry of Economy, Trade and Industry)에 의해 홍보되고 있는 차세대 에너지 사회 시스템 시연 프로젝트(Next-Generation Energy and Social System Demonstration Project)의 하나로서 적용되고 있다. 연료전지 버스를 포함한 관련 장비들은 현재 일본에서 다양한 경로에서 운전되고 있는데, 특히 일본 국제 항공, 도쿄 국제 공항, 도쿄시내, 도요타시 등에서 이용되고 있다.

에너지 변환 및 저장이 가능한 자가충전 파워 전지

[http://www.nanowerk.com/news2/newsid=26433.php, 2012-08-22]

미국 Georgia Institute of Technology 소속 Zhong Lin Wang 교수가 이끄는 연구진은 기계적 에너지를 화학적 에너지로 직접 변환하여 자가 충전이 가능한 파워 전지를 개발했다. 더 놀라운 점은 변환된 에너지를 사용할 때까지 저장이 가능하다는 것이다. 즉 배터리 충전을 위해 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 필요 없이 에너지 생산-저장이 동시에 가능한 효율적인 혼합형 전지인 것이다. 연구 결과는 2012년 8월 9일자 Nano Letters지에 “Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell”이란 제목으로 게재됐고, 이번 연구는 미국의 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), Air Force, 에너지성(DOE) 등의 자금 지원을 통해 이루어졌다.

자가 충전 파워 전지의 핵심은 바로 압전(piezoelectric) 효과를 지닌 멤브레인으로, 기계적 스트레스에 따라 변형이 발생했을 때 리튬 이온이 한쪽에서 반대편으로 이동하게 된다. 압전 포텐셜에 따라 분극된 멤브레인을 통해 이동한 리튬 이온은 화학 에너지로 저장된다. 사람이 도로 위를 걸을 때 신발 바닥에 지면을 차는 정도의 힘이면 파워 전지로부터 전력을 생산하여 작은 계산기를 동작시킬 수 있다. 통상적인 동전 크기 배터리와 같은 하이브리드 파워 전지는 작은 전자소자를 동작시키고, 미래에는 군인들의 군사용 장비에도 전력 충전이 가능할 것이다.

Zhong Lin Wang 교수는 사람들이 전기를 생산하고 저장하는 과정을 2단계로 분리하는데 익숙하다고 설명했다. 단 하나의 요소 안에 두 기능을 모든 탑재한 자가충전 파워전지는 새로운 개념의 소자라 할 수 있다.

파워 전지는 리튬코발트산화물(LiCoO2)로 제작된 음극, 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브로 제작된 양극으로 구성된다. 그리고 두 전극은 PVDF(poly(vinylidene fluoride)) 박막을 사이에 두고 변형이 인가되는 경우 압전 전하를 발생시키게 된다. 파워 전지에 압축되며 발생한 압전 포텐셜은 리튬 이온을 음극에서 양극으로 이동시켜, 리튬티타늄산화물 형태로 양극에 에너지를 저장하게 되는 것이다. 인가된 압축력에 상응해서 화학적 평형 상태를 이룰 때까지 리튬 이온의 이동이 나타나고, 변형이 사라지게 되면 리튬 이온은 양극에서 유지될 수 있다.

2.3Hz의 기계적 응축력을 통해 연구진은 불과 수 분 안에 파워전지의 전압을 327mV에서 395mV로 상승시킬 수 있었다. 그리고 소자는 2분간 1mA의 전류로 원래 상태로 방전됐다. 연구진은 제작된 파워전지의 전기 용량이 0.036mA·h 수준인 것으로 추정했다. 또한 기존의 변환 및 저장을 분리하는 시스템에 비해 5배 정도 높은 효율을 기록할 수 있었다. 전지에 인가되는 기계적 에너지의 대부분은 스테인리스 스틸로 구성된 케이스에 변형으로 소모되고 있기 때문에, 적절한 케이스 및 패키징 기술을 개발함으로써 그 효율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

기계적 에너지는 사람이 걷거나, 자동차가 도로 위를 달리거나, 또는 파도 및 기계적 진동으로부터 얻을 수 있고, 기존의 발전기, 배터리 두 시스템에 비해 무게 및 공간을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

우수한 성능을 가진 연료전지 재료

[http://phys.org/news/, 2012-08-26]

IBN 연구진은 금, 구리, 백금 나노입자를 사용해서 더 강력하고 더 오래 지속되는 연료전지 물질을 개발했다. 이 연구결과는 저널 Energy and Environmental Science에 게재되었다. 연구진은 백금 하중을 줄이면서 백금 기반의 전기화학적 촉매의 활성과 내구성을 향상시킬 수 있는 새로운 나노복합물을 개발했다. AuCu를 코어로 하고 백금을 쉘로 한 나노입자는 산소 환원 반응 동안에 우수한 전기화학적 촉매의 활성과 뛰어난 안정성을 가졌다. AuCu 합금 중에 금 원소는 산소 환원 반응 동안에 백금 쉘을 안정화시키는데 중요한 역할을 한다. AuCu@Pt 나노입자의 산소 환원 반응 동안의 뛰어난 전기화학적 촉매 활성은 AuCu 합금 코어에 의해 발생된 압축 변형 효과 때문이다. 이와는 대조적으로, 백금 보다 더 큰 격자 변수를 가진 순수한 금 코어는 백금 쉘에 인장 변형 효과를 유도한다. 이 연구는 백금 기반의 나노물질의 표면 변형을 조절함으로써 특정 전기화학적 촉매의 활성을 효과적으로 조절할 수 있다는 것을 보여준다.

연료전지는 전기 장치, 자동차, 군용 항공기, 장비 등의 전원으로서 유용하게 사용되고 있다. 연료전지는 수소의 화학적 에너지를 산소의 화학적 반응을 통해서 전기로 변화시킨다. 연료전지는 연료 공급이 있기만 하면 지속적으로 전기를 생산할 수 있다. 백금이 이러한 전지 속의 높은 산성 상태를 견딜 수 있는 유일한 금속이기 때문에 현재 상업적으로 사용 가능한 연료전지는 화학적 반응을 촉진하는 촉매로서 백금 나노입자를 사용한다. 그러나 백금의 높은 가격과 이것의 낮은 안정성은 연료전지의 폭넓은 적용을 지연시키고 있다.

이런 한계를 극복하기 위해서, IBN의 Jackie Y. Ying 교수가 이끄는 연구팀은 내부(코어)는 금과 구리 합금으로 되어 있고 외부(쉘)는 백금으로 구성되어 있는 새로운 하이브리드 물질을 개발했는데, 이것은 기존의 백금 촉매보다 훨씬 더 높은 안정성을 가지고 5 배 이상의 활성을 가진다. 추가적인 최적화로, 나노복합물의 촉매 성질은 더 향상될 수 있다.

이번 연구진의 새로운 나노복합물 물질은 1밀리그램의 백금 당 적어도 0.571A의 전류를 생산할 수 있는데, 이것은 기존 백금 촉매의 1밀리그램 당 0.109A와 비교했을 때 매우 높은 수치이다. 또한 상당히 감소된 백금 함량을 가진 촉매로 연료전지 반응의 활성과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있다는 것을 증명한 최초의 연구결과이다.

기존의 백금 촉매보다 더 높은 활성을 가질 수 있게 하기 위해서, 연구진이 나노결정 물질의 코어를 금-구리 합금으로 설계했기 때문에, 나노결정의 표면을 구성하는 백금은 약간 더 작은 격자 공간을 가진다. 이것은 표면의 백금 원자 위에 압축 변형을 발생시키는데, 이로 인해 산소 환원의 율속(rate-limiting) 단계에서 백금이 더 활성을 가지게 된다. 더 저렴한 금-구리 합금으로 나노입자의 코어를 대체함으로써, 연구진은 비용이 많이 드는 백금의 사용량을 줄일 수 있었다.

이번 연구진의 핵심 연구는 더 높은 효율과 지속 가능한 그린 에너지를 개발하는 것이다. 기존의 백금 촉매보다 더 활성을 가지고 더 저렴한 이 새로운 나노복합물 시스템은 연료전지의 적용분야를 상당히 증가시킬 수 있고 산업적인 용도로 적용하는데 더 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Energy and Environmental Science에 "Stabilization and Compressive Strain Effect of AuCu Core on Pt Shell for Oxygen Reduction Reaction"이라는 제목으로 게재되었다(DOI:10.1039/C2EE22172A).

<그림 1> 코어 속에 금-구리 합금 원소와 외부 층에 백금 원자로 구성된 새로운 나노복합물의 구조도.

<그림 2> 나노입자의 SEM 사진.

일본에서 시작하는 플러그인 자동차 충전 인프라구조 인증 시험

[http://www.greencarcongress.com/2012/08/tmc-20120821.html, 2012-08-23]

일본의 도요타 모터 코퍼레이션(Toyota Motor Corporation, TMC)은 2012년 11월부터 2013년 3월까지 플러그인 자동차들을 위한 표준형 충전기의 대중화를 위한 다양한 실행 방안들을 평가하기 위하여 일본의 아이치현에서 다수의 인증 시험들을 수행할 것이다. 이번에 시작되는 시험들은 일본에 있는 2개의 지방 정부와 10개의 사업체들과의 공동 작업으로 수행될 것이다.

현재 일본에서의 충전기 설치는 상업용과 비상업용 시설들의 결정에 따라서 진행되고 있으며, 설치비용을 회수할 수 있도록 결정된 방법이 없는 상태이다. 이 문제를 해결하기 위하여 일본의 중앙 정부와 지방 정부들은 플러그인 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등과 같은 차세대 자동차들의 일반적인 보급을 장려하기 위해 충전기들을 위한 계획된 목표들을 가지고 있으며 설치를 진행하고 있다.

이 시험들은 최적의 충전기 설치 지역들을 시험할 것이다. 더불어 운전과 요금 방법들도 시험하게 될 것이다. 궁극적으로 이번 프로젝트는 포괄적인 충전기 인프라구조의 설립을 용이하게 하는 것을 목표로 한다. 이 시험들은 플러그인 하이브리드 자동차와 전기 자동차들을 위하여 사용될 수 있는 표준형 충전기들에 집중할 것이며, 운영자들이 설치비용을 저렴하게 할 수 있도록 도와줄 것이다. 특히 아래의 3분야들이 시험될 것이다.

- 도요타 미디아 서비스 코퍼레이션(Toyota Media Service Corporation)이 개발한 ‘G-스테이션(Station)’에 기초한 새로운 동전-운영 방식의 표준형 충전기가 서로 다른 요금 지불 방식들과 가격 구조들의 가능성을 시험하기 위하여 개발되고 채용될 것이다.

- 이용 패턴들을 분석하고 적용 지역들과 운영 방법들을 평가하기 위하여, 대략 20개의 새로운 충전기들이 상업용 허브들, 공공 시설들, 시간에 따라 요금을 지불하는 주차장들, 위와 비슷한 요충지들에 설치될 것이다.

- 다양한 정보의 공급이 평가된 서로 다른 종류의 정보의 유용성과 함께 G-스테이션의 와이파이 연결을 통해서 시험될 것이다. 정보는 상업용 시설들의 사업 운전 시간들과 사건들을 포함하여 아이치현 정부에서 제공되는 재해 정보 등을 포함할 것이다.

인증 시험들은 2012년에 진행되는 ‘새로운 아이치의 창조를 위한 연구 개발 지원 프로그램(Subsidy Program to Support R&D for the Creation of New Aichi)’에 의해서 지원될 것이다. 프로그램에서 지원되는 자금은 시험을 위한 충전기 설치에 주로 사용될 것이다.

자동차 부상을 감소시키는 충돌시험용 여성 더미 개발

[http://phys.org/news/2012-08-female-dummy-injuries.html, 2012-08-28]

여성은 남성이 뒤에서 부딪히는 자동차로 인한 목뼈 손상(whiplash injuries)으로 고생하는 것 보다 2배 정도 더 고생한다. 그럼에도, 시험에 사용되는 충돌시험용 더미는 평균적인 남성에 기반을 두고 있다. 미국 인디애나주 화이트 카운티의 Chalmers사의 연구원인 Anna Carlsson씨가 평균적인 여성을 대표하는 세계 최초의 충돌시험용 더미를 창조했다.

모든 자동차 목뼈 부상의 대부분은 시속 25km 이하의 부드러운 속도에서 발생한다. 여성들이 더 많은 위험에 처해 있으면서도, 자동차에서의 목뼈 부상 방지시스템은 주로 남성에게 맞추어져 있다.

"나는 내 연구가 남자와 여자 모두 자동차 충돌 사고로 말미암아 부딪혔을 때 목뼈 부상을 막는데 도움이 되기를 바란다. 국가경제적 전망으로 볼 때, 자동차 보호시스템 역시 여성에게 맞추는 것이 이익이 될 것"이라고 최근에 논문을 발표한 Anna Carlsson씨는 말했다.

여성의 몸이 충돌사고 시 더 빨리 움직인다.

충돌시험용 여성 더미 모델을 제작하기 위해, Anna Carlsson씨는 자동차 충돌사고 시 뒤에서 부딪힐 때 평균 크기의 여성의 몸이 어떻게 움직이는가를 평가하기 위해 매우 낮은 속도와 가속도에서 여성이 부딪히는 상황을 시험했다. 그 다음, 연구진은 충돌시험용 여성 더미에 대한 컴퓨터 모델을 개발했고, 그것은 EvaRID(RID는 Rear Impact Dummy를 의미함)라고 명명되었다. 수학적 모델링을 기반으로, 연구진은 여성의 특성이 있는 충돌시험용 더미 프로토타입을 만들었다.

그 다음, 이 더미는 일반적인 자동차 시트 내에서 8번의 충돌 시험에 사용되었다. 결과는 남자용 더미와 비교되었다. 뒤쪽에서 부딪혔을 때, 충돌시험용 여성 더미는 일반적으로 남성용 더미보다 더 가속력이 높았고 신속하게 움직이는 것으로 실험되었다. 자동차의 뒤쪽 시트는 여성이 부딪힌 정도만큼 뒤쪽으로 움직이지 않았다. 이것은 여성들이 더 신속하고 강력하게 앞쪽으로 리바운드됨을 의미한다.

우리가 일반적인 위치에 앉게 되면, 사람의 목은 약간 구부러진 상태가 된다. 그런데 뒤쪽에서 부딪히게 되면, 몸은 의자등받이에 의해 앞쪽으로 밀리지만 머리는 뒤쪽에 남은 채로 있게 된다. 이것은 머리와 목이 같이 연결되어 뒤쪽으로 회전되기 이전에 목이 S자 형태로 됨을 의미한다. 다음 움직임은 몸이 안전벨트 쪽으로 전진하는 것이다. 이러한 전체적인 사고 시의 움직임은 1/2초 만에 발생한다. 우수한 자동차 충돌 목뼈 손상 방지시스템은 부상을 감소시키지만, 통계는 현재의 보호시스템이 일반적으로 여성에보다 남성에게 30% 정도 더 효과적임을 보여주고 있다.

충돌시험용 더미의 개발을 통해 부상이 감소하였다

"만약 우리가 충돌 도중에 남성과 여성 모두에게 전진 가속도를 낮출 수 있다면, 부상의 위험을 상당한 수준으로 감소시킬 수 있다. 이것을 행하는 방법의 하나는 충돌 시에 뒤쪽으로 향하는 시트를 제작하는 것이다. 다른 방법은 에너지를 흡수하기 위해 시트의 덮개 패딩을 설치하는 것이며, 이는 시트 프레임이 움직이지 않도록 하는 것"이라고 Anna Carlsson씨는 말했다.

Volvo사와 Saab사는 특별히 자동차 충돌 시 목뼈부상 방지시스템을 생산하는데 일가견이 있다. Anna Carlsson씨는 그들의 성공이 [BioRID] 때문이라고 믿고 있으며, 이것은 그들이 1990년대에 Autoliv사와 Chalmers사와 공동으로 개발한 충돌시험용 남성용 더미이다. [BioRID] 충돌시험용 더미는 현재 전세계적으로 사용되고 있으며 최고급 자동차 시트에서는 부상 위험이 약 50%까지 감소하였다.

"여성 크기의 더미 생산과 자동차 보호시스템에 이것을 적용함으로써, 부상은 더 감소할 수 있다"고 Anna Carlsson씨는 말했다.

그녀는 충돌시험용 여성용 더미 개발을 계속하기를 원하며, 이번 상황은 여전히 프로토타입에 불과하다. 또한 그녀는 기존의 바이오기계적 한계값이 남성에 맞추어져 있기 때문에 여성용으로 개발하기를 원한다. "이 연구는 여성이 일반적으로 자동차 사고 중에 더 높은 비율의 부상을 당할 위험을 보여주고 있기 때문에, 우리는 남성과 여성을 위한 각각의 통계와 부상 척도를 분리할 필요가 있을 것"이라고 그녀는 밝혔다.

자동차의 해킹 위협을 경고하는 보안 전문가들

[http://phys.org/news/, 2012-08-23]

소형 컴퓨터와 전자통신시스템이 자동차 내부로 통합되는 추세이기 때문에, 해커들은 PC처럼 자동차를 들여다보기 시작했다. 만약 자동차가 바퀴를 가진 컴퓨터가 된다면, 많은 보안전문가가 그들의 관심을 자동차 보안시스템과 보안 위협에 대한 경고로 확장시킬 것이다. 캘리포니아 주와 워싱턴 주의 컴퓨터 과학자들은 이미 컴퓨터 웜과 트로이안 바이러스가 자동차에 침투 가능하다는 사실을 확인한 바 있다. 이 장치들에는 온 보드 진단시스템, 무선 연결시스템 그리고 심지어는 라디오시스템을 가진 CD 플레이어도 그 대상이 된다.

전문가들의 지적에 의하면, 전자제어유닛 또는 ECU라고 알려진 수많은 컴퓨터는 상호연결된 시스템을 유지하기 위해 수천만 라인의 컴퓨터 코드를 필요로 한다. 이러한 것들은 엔진, 브레이크 그리고 내비게이션 시스템에서부터 조명, 환기 그리고 엔터테인먼트 시스템까지 다양하다. 휴대전화기와 블루투스 헤드셋에 전원을 공급하는 같은 무선기술이 자동차 내에 존재하며 결국은 원격 공격에 취약한 것이 사실이다.

그럼에도, PC와는 달리 자동차에 대한 공격자의 목표는 정보를 훔치는 것이 아니라 자동차를 훔치거나 자동차 내에서의 대화를 도청하거나 자동차를 충돌시키는 것이다.

Intel사의 자회사이자 PC 바이러스를 치료하는 보안 관련연구로 유명한 McAfee사는 오레곤주 베버톤에서 자동차 보안에 관한 연구를 진행하고 있다. McAfee사의 경영진 중의 한 명인 Bruce Snell씨는 자동차 제작회사들이 사이버 공격의 위기와 랩톱 컴퓨터의 데이터 해킹과는 전혀 다른 자동차 시스템-해킹의 영향을 알고 있다고 확신하고 있다. Intel사의 자회사인 McAfee사는 다가오는 위기를 예측하면서 "경고 : 다가오는 멀웨어(Caution: Malware Ahead)"라는 제목으로 자동차 시스템 보안에 관한 보고서를 제출했다.

산티아고 캘리포니아 대학교(University of California)와 워싱턴 대학교(University of Washington) 연구진들은 이미 랩톱 컴퓨터를 사용하여 현대식 자동차를 어떻게 해킹하는지를 파악했다. 같은 연구팀은 블루투스를 통해 원격에서 공격을 감행하는 시나리오로까지 그 범위를 확장시켰다. McAfee 보고서를 보면, 다른 공격 시나리오는 사우스캐롤라이나 대학교(University of South Carolina)와 러트거스 대학교(University of Rutgers) 연구진들에 의해 발표되었다. 그들은 자동차에 사이버 공격을 하는 것이 가능하며 약 40미터 근처에서 장거리 리더기를 이용하여 RFID 태그를 추적함으로써 사용자의 프라이버시를 위태롭게 하는 것이 가능하다는 사실을 실증해 보였다. RFID 태그는 자동차와 무선으로 단거리 통신을 할 때 센서 데이터를 위해 타이어에 사용된다.

이 보고서는 제작회사를 선택해서 뽑지 않았는데, 그 이유는 이 문제가 산업계 전체에 해당하기 때문이다. 자동차 제작회사는 일반적인 부품회사와 프로세스를 사용한다. 그럼에도, 로이터의 제조회사 체크에 대해서는 반응이 상당히 많은 것으로 나타났다.

미국의 메이저 자동차 제작회사들은 그들이 제작한 자동차가 멀웨어 소프트웨어에 공격당한 적이 있는지 또는 보안 취약성 때문에 자동차를 리콜한 적이 있는지에 대한 예를 알고 있는지에 대한 회신은 하지 않았다. 동시에, 불가능한 것은 아무것도 없으며 자신들의 시스템을 가능한 한 안전하게 유지하기 위해 온 힘을 기울이고 있다고 밝혔다.

로이터의 보고를 따르면, Ford사는 사이버 공격에 가능한 한 저항하는 것을 보증하기 위해 보안 엔지니어들이 자동차 내 SYNC 통신 및 엔터테인먼트 시스템에 대한 연구를 진행하고 있다. 세계 최대의 자동차 제작회사인 Toyota사는 해킹 사고는 없었으며 해킹은 적어도 불가능하게 되어 있다고 밝혔다. Toyota사의 소식통에 의하면, 그들이 제작하는 자동차는 계속 코딩을 변화시키도록 설계되었다. Chrysler사는 자동차 보안 문제 해결을 위해 산업계 그룹과 외부 기관과 공동작업을 진행 중이다.

[Car and Driver]에 발표된 것처럼, 더욱 많은 사람이 자동차 네트워크에 접근함에 따라, 자동차 산업은 관련된 보안 문제를 중요시하게 될 것이다. 또한, 이것은 PC 산업계와 너무 비슷하게 진행되어, 해커와 자동차 제작회사 간에 끈질긴 접전이 이루어질 것이다.

전기 생산을 위해 재활용되는 바이오연료 폐기물

[http://phys.org/news/, 2012-09-07]

일반 미생물학회(Society for General Microbiology)가 주최한 가을 컨퍼런스에서 발표된 자료에 따르면, 바이오연료의 제조 과정에서 나오는 부산물은 전기 생산에 활용될 수 있는 것으로 나타났다. 이들 부산물은 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell)에 동력을 공급하여 값싸면서 효율적인 전기를 생산할 수 있는 것으로 나타났다.

DDGS(Distillers Dried Grain with Solubles)는 바이오에탄올을 생산할 때 발생하는 일종의 부산물이다. 일반적으로 DDGS는 저가의 동물 사료로 사용되고 있다. 이에 영국의 서리 대학(University of Surrey)은 폐수처리 공장에서 얻어지는 박테리아 접종 슬러지와 DDGS를 미생물 연료전지에 적용하는 연구를 실시하였다. 연구에 사용된 미생물 연료전지는 성장을 위해 DDGS를 이용하는 박테리아가 산소 공급으로부터 물리적으로 분리되도록 설계되었다. 그리고 유기 폐기물을 산화시켜 전자를 회로 주위로 내보내고, 이러한 전자 흐름에서 전기를 생산할 수 있도록 하였다.

미생물 연료전지는 다양한 복합 유기 폐기물을 전기 에너지로 변환할 수 있다. 이러한 과정은 재생가능 에너지에 있어 매우 매력적인 기술로 받아들여진다. 이번 연구를 진행해 온 Lisa Buddrus는 비용-효율적인 시작 제품(Starting Product)을 모색하는 것은 공정 상업화에 꼭 필요한 과정이라고 설명하였다. Buddrus는 “DDGS는 영국에서 가장 풍부한 폐기물 중 하나이다. 바이오산업이 팽창함에 따라 DDGS의 공급은 훨씬 수월해질 것”이라고 말한다. “연구팀의 다음 단계는 DDGS를 이용하여 성장하는 전기발생적(Electrogenic) 박테리아 종을 확인하는 것이다. 또한 미생물 전반에 대한 유전적 요소를 검토함으로써 신진대사 공정, 전자 배출 및 전달과 관련된 필수 유전자에 대해 더욱 이해도를 높일 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

DDGS를 사용하는 미생물 연료전지는 경제성이 우수할 뿐 아니라 환경친화적이다. 전기를 추출한 후 남겨지는 폐기물은 산소와 반응성이 적고 공해물질을 적게 만들기 때문에 더 큰 가치를 갖고 있다. 연구팀을 이끌었던 Mike Bushell 교수는“연구팀은 폐기물이 동물 사료로 사용될 수 있다는 것에 영향을 주지 않으면서 환경에 도움을 줄 수 있는 유용한 방안을 도출하였다. 이러한 발견은 이번 연구가 중요하며, 환경에 영향을 주는 공해 물질 배출 저감에 크게 기여할 것”이라고 말한다.

많은 미생물 연료전지 연구가 원거리 지역에 환경적 센서를 개발하는데 집중하고 있다. Bushell 교수는 “사막이나 해양과 같은 원거리 지역에 자가 발전되는 센서는 날씨나 공해물질을 모니터링하는데 중요한 데이터를 제공할 수 있다. 미생물 연료전지가 활용될 수 있는 또 다른 응용분야는 청정전기를 생산하면서 물을 청정하게 처리할 수 있는 폐수처리”라고 설명하였다.

전기자동차 위한 유럽 협력 연결

인프라구조 개발 프로젝트를 선도하는 히타치

[http://www.greencarcongress.com/2012/08/hitachi-20120831.html, 2012-09-04]

정보 통신 기술 연구개발 연구소(Information and Communication Technologies R&D Laboratory, ICTL)를 통해서 히타치 유럽 주식회사(Hitachi Europe Ltd.)는 정보기술이 융합된 전기 이동성 플랫폼을 개발하기 위하여 유럽연합이 자금을 지원한 프로젝트를 수행할 것이다. 새로운 IT 전기 이동성 플랫폼은 완전한 전기 자동차(Fully Electric vehicle, FEV)와 밀접하게 연결된 다수의 인프라구조 시스템(예를 들어 도로 정보 인프라구조, 전기 자동차 지원 인프라구조, 전기 자동차 충전 인프라구조 등) 간의 연결과 정보 교환을 가능케 한다.

이 플랫폼을 통해서 다수의 차세대 전기 이동성 서비스들이 전기 자동차 사용자들에게 제공될 수 있다. 이는 에너지 관리 효율과 전기 자동차의 이용성을 향상시키기 위하여 사용되며, 지능형 도시들(Smart Cities)에서 효율적으로 이용될 수 있다.

이 프로젝트는 에코-전기자동차-전기 자동차를 위한 효율적인 협력 인프라구조(efficient Cooperative infrastructure for Fully Electric Vehicles)로 명명되었으며, 전기 자동차들을 위한 GC-ICT-2011.6.8 ICT 목표를 해결하기 위한 FP7 워크 프로그램 2011(FP7 Work Programme 2011 COOPERATION under Grant agreement Nº 314411)에 포함되어 있다. 예상된 프로젝트의 총 비용은 4백만 유로 이상(··4,265,317)이며 유럽연합이 거의 3백만 유로를 제공한다.

전기 이동성 협력 플랫폼은 사용 경우들과 전기자동차 최종 소비자들 간의 중간 플랫폼이다. 에코-전기자동차 프로젝트의 목표는 서로 다른 조건이 요구되는 지역에서의 이행, 특수한 사용을 위한 필요 조건들, 사용자의 요구 등과 같은 매우 다양한 이행 조건들에서 전기 자동차를 적용하도록 에코-전기자동차 개념의 확대와 유연성이 가능하도록 개방형 아키텍처를 제안하는 것이다. 이 아키텍처는 사용자 서비스들, 인프라구조 시스템들, 일반적인 시설들을 제공하는 일반 플랫폼에 의한 전기 자동차들 간의 유연한 연결을 제공한다.

에코-전기자동차는 9월 1일에 시작해서 33개월 동안 진행될 것이다. 이 프로젝트에 참여하는 12개 기관은 다음과 같다 : Commissariat a l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (France); Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. (Italy); European Center for Information and Communication Technologies GmbH (Germany); Politecnico di Torino (Italy); Renault SAS represented by GIE REGIENOV (France); Technische Universitat Berlin (Germany); Societa Italiana Traforo Autostradale del Frejus S.p.A. (Italy); BlueThink S.p.A. (Italy); Facit Research GmbH & Co. KG (Germany); Conseil general de l`Isere (France); ENERGRID S.p.A. (Italy); and Schulz - Institute for Economic Research, Consulting GmbH (Germany).

프로젝트에 대한 히티치사의 기여는 주로 차세대 자동차 정보 시스템들과 서비스에 있으며, 이 분야는 히타치 오토모티브 시스템 주식회사(Hitachi Automotive Systems, Ltd.)가 강점을 가지고 있는 분야이다. 현재 히타치사는 다수의 유럽연합 지원 프로젝트들과 국가 지원 프로젝트들에 참여하고 있거나 파트너로서 일하고 있다.

전력회사, 전기자동차와 스마트그리드 결합에 상대적으로 소극적

[http://www.greencarreports.com/news/, 2012-08-27]

전기자동차의 미래를 다음과 같이 생각해볼 수 있다. 플러그인자동차는 가장 비용이 낮은 충전시간을 알고, 전력회사의 협조 하에 충전 전력이 가장 청정한 전력일 때 또는 전력수요가 가장 낮을 때 충전한다. 수년간 자동차 업체, 충전소업체, 전력회사, 심지어 군대까지 참여하여 위의 미래 모습을 현실화하기 위해 노력해왔다. 그러나 아직 스마트그리드 기술은 미국의 일반 전기자동차 운전자들에게 현실적인 기술이 되지 못하고 있다. General Motors에 따르면, 그 이유는 간단히 전력회사들이 아직 준비가 안 되어 있기 때문이다.

2012년 초, GM은 자체의 스마트그리드 소프트웨어를 구글과 PJM과의 공동 프로젝트 일환으로 실증하였다. 참고로 PJM은 독립, 지역 송전망 운영회사(RTO)이다. PJM이 제공한 데이터를 이용하여 GM은 구글의 25대 Chevrolet Volts가 OnStar 소프트웨어를 이용하여 충전될 때를 제어할 수 있었다. OnStar의 Volt 사업 관리자 Paul Pebbles는 PJM이 만든 재생에너지 신호를 취득할 수 있었고, 실제로 Volt 충전 시 재생에너지 신호에 따라 충전이 이루어지도록 할 수 있었다고 강조하였다.

OnStar의 Pebbles는 상기 프로젝트에서 테스트된 어떤 스마트그리드 기술이 2014년 Volt에 적용될 수 있는가에 대한 질문에서 자동차업체인 GM이나 소프트웨어업체인 OnStar는 준비가 되어 있다고 강조한다. 그들은 실증사업을 넘어 상용화를 추진할 전력회사와 에너지 업체를 찾고 있다고 주장하였다. 즉, 전력회사만 적극적으로 나서면 상용화가 가능하다는 것이다.

GM은 전력회사들과의 초기 논의에서 현재 보다 발전하였음을 언급하고 있지만, 스마트그리드 기술 활용의 현실화는 오랜 시간이 걸리고 있다. Pebbles가 주장한 바와 같이 전력회사들은 스마트그리드의 효용을 인식한 이후, 주의 규제위원회(public utility commission)로부터 스마트그리드 시범사업 추진 허가를 받아야 한다. 시범사업이 성공적으로 끝나면, 전력회사는 다음으로 12개월간의 소비자 반응 조사를 해야 하며, 그 다음으로 6~8개월간 기다리다 소비자에게 서비스를 제공할 수 있다. 이러한 절차는 미국과 캐나다에서 3,500개의 공공 및 민간 전력회사들이 있는 관계로 더욱 복잡해지기 마련이다.

일부는 전기자동차와 스마트그리드 기술 간 연계가 이스라엘에서 Better Place의 국가적 전기자동차 네트워크 구축사업의 일환으로 이미 추진되고 있다고 주장할 것이다. 이스라엘은 두 가지 이유로 다른 국가보다 빠른 속도를 보이고 있다. 첫째, 이스라엘은 상대적으로 작은 국가이다. 둘째, 이스라엘은 단 하나의 전력회사가 있어 스마트그리드 추진 과정을 보다 단순화시킬 수 있다.

GM의 메시지는 명료하다. GM은 Chevrolet Volt의 추가 버전을 발전시키기를 원한다. 그리고 자사의 전기자동차에 OnStar 시스템과 결합된 스마트그리드를 응용하기를 원한다. 대부분의 필요 기술이 하드웨어 기반이라기보다는 소프트웨어 기반이기 때문에 GM은 전력회사가 스마트그리드 역량을 확충해감에 따라 그 기술을 적용해갈 수 있다. 미래에 소비자들은 태양광 패널을 갖추고 있으면서 플러그인 자동차를 소유하고 있을 때, 태양에너지 발전이 과잉 생산될 때에만 전기자동차가 충전되도록 설정할 수도 있을 것이라고 GM은 주장한다. 그러나 이러한 미래가 현실화되는 데까지는 얼마나 빠르게 전력회사들이 스마트그리드 기술을 활용할 수 있느냐에 달려있다.

중국의 리튬 이온 배터리 시장, 2016년에는 92억 달러로 성장

[http://eetimes.jp/ee/articles/1208/16/news022.html, 2012-08-23]

중국에서는 납축전지에서 리튬 이온 배터리로의 전환이 시작되고 있기 때문에 리튬 이온 배터리 시장이 급속히 성장할 것이라고 한다. 중국의 리튬 이온 배터리 시장은 2016년에는 92억 달러(약 11조 5,000억 원)로 현재의 배 가깝게 성장할 것이라고 한다. 생산량도 129% 증가한 44.3GWh까지 성장할 전망이다.

중국에서의 전기 자동차 수요는 중국 정부의 예상을 밑돌고 있다. 그러한 상황에도 불구하고 중국의 리튬 이온 배터리 시장은 경이적인 성장을 이루게 된다. 리튬 이온 배터리 생산량의 연평균 성장률(CAGR : Compound Annual Growth Rate)은 18.2%이지만 2016년에는 리튬 이온 배터리의 1kWh당 평균 판매 가격이 20% 떨어져 207달러(약 25만 8,750원)가 되므로 매상고 베이스인 CAGR은 12.8%에 머무를 것으로 예상하고 있다. 그리고 2011년에서의 중국의 리튬 이온 배터리 시장의 매상고는 50억 달러(약 6조 2,500억 원)였다고 한다.

미국의 시장 조사 회사인 Lux Research에서 Research Associate를 맡고 있는 Zhuo Zhang씨는 “리튬 이온 배터리 시장에서 적용되고 있는 것은 계속 민생 기기 시장이지만 다양한 홍보나 정책에 의해서 새로운 용도에도 주목을 받고 있다”고 언급하였다. Zhang씨는 Lux Research의 리포트 `Hype vs. Policy: The Chinese Market for Lithium Batteries(중국의 리튬 이온 배터리 시장)`의 주집필자이다.

Zhang씨는 “전기 오토바이(자전거)나 전기 자동차의 시장은 향후 몇 년간에 급속히 성장할 것으로 예측되고 있지만 2016년의 판매수는 10만대 이하에 머무를 전망”이라고 부연설명하고 있다. Lux Research는 중국의 리튬 이온 배터리 시장에 관해서 아래와 같이 예측하고 있다.

2016년에는 중국에서 3,200만 대의 전기 오토바이가 제조되지만 그 중 약 57%가 리튬 이온 배터리를 사용할 것으로 예상되고 있다. 2011년의 시점에서는 리튬 이온 배터리를 탑재한 오토바이는 불과 3%였다. 그리고 중국에는 71만 4,000개소의 통신 기지국이 있고 주로 통신 대기업 3사에 의해 운영되고 있다. 이러한 기지국에서는 납축전지에서 리튬 이온 배터리로의 전환이 요구되고 있어 140억 달러(약 17조 5,000억 원) 규모의 시장 기회를 가져올 것으로 예상되다.

또한 외자의 벤처 캐피털로부터 자금을 얻은 신흥기업은 중국 기업과 제휴할 찬스로 연결된다. Boston-Power, Ener1, Altair Nanotechnologies 등은 이미 중국의 파트너 기업과 계약을 맺고 있다고 한다.

진보된 이미징 기술을 이용한 효율적인 연료전지 촉매 개발

[http://www.greencarcongress.com/2012/09/prox-20120902.html, 2012-09-06]

싱가포르 과학 기술청 산하 국가 연구 기관인 A*STAR(Agency for Science, Technology and Research) 소속 연구진은 연료 전지 자동차에 적용되는 것과 같은 양성자 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane fuel cell, PEM fuel cell)를 위한 수소 기체에서 이산화탄소의 선택적 산화 반응(PROX; preferential oxidation)에 적용할 수 있는 효율적인 촉매를 개발했다.

이 연구에서 연구진은 수명이 긴 수소 연료 전지로 이어질 수 있는 금 나노입자 촉매를 활성 및 비활성화시킬 수 있는 감지가 어려운 원자 규모의 구조 변형(structural transformation)을 규명하기 위하여 고분해능 투과 전자 현미경(HR-TEM; high-resolution transmission electron microscopy)과 3차원 전자 단층 촬영(electron tomography) 같은 이미징 기술을 이용했다.

PEM 연료 전지는 수소 기체에 불순물로 존재하는 일산화탄소(carbon monoxide, CO)에 매우 민감하다. 따라서 일산화탄소는 연료 전지 양극(anode)에 일반적으로 사용되는 백금 같은 귀금속 위에 강력하게 흡수된다. 개질 모델(reforming model)에 따르면, 수소의 흐름은 초기에 거의 10%의 일산화탄소를 함유할 수 있다. 따라서 연료 전지의 성공적인 운영을 위하여 가장 중요한 요건은 일산화탄소 중독과 불활성화(deactivation)로부터 백금 양극을 보호하기 위하여 10ppm 미만으로 일산화탄소의 농도를 줄이는 것이다.

PROX의 목적은 촉매를 통하여 과도한 수소 산화 없이 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는데 있다. 최근 연구들은 폭 5nm 이하의 금 나노입자가 온화한 온도와 압력 조건 하에서 PROX 반응에 영향을 끼칠 수 있다는 것을 보여 주었다. 불행하게도 금 나노입자는 수 시간 사용 후 금 나노입자의 촉매 활성을 소실하는 경향이 있다.

A*STAR 산하 화학 공학 연구소(Institute of Chemical and Engineering Sciences) 소속의 Ziyi Zhong과 재료 공학 연구소(Institute of Materials Research and Engineering) 소속의 Ming Lin 등의 연구진은 PROX 반응을 위한 개선된 촉매를 고안하는 연구에 착수했다.

과거에 연구팀은 SBA-15로 명명된 실리카를 기반으로 하는 지지대(support)가 이산화탄소 부산물을 선택적으로 흡수함으로써 일산화탄소의 제거를 촉진할 수 있다는 것을 발견했다. 연구진은 참신한 PROX 촉매를 공학적으로 제작하기 위하여 말단 아민기가 장식된 다공성 프레임워크인 또 다른 SBA-15 특성의 장점을 취했다.

먼저, 연구팀은 금과 산화제2구리(copper(II) oxide, CuO) 혼합물을 분산시키기 위하여 아민 변형(amine modification)을 이용했다. 이후 연구팀은 SBA-15 지지대 위에 금과 산화제2구리 나노입자를 생성시키기 위하여 열처리를 적용했다. SBA-15와 산화제2구리에 있는 수많은 기공은 촉매 비활성화의 주요 원인이 되는 금 나노입자의 응집(agglomeration)을 방해하기 위하여 함께 작용했다.

연구팀은 HR-TEM과 3차원 전자 단층 촬영을 이용하여 원자 규모에서 국부적인 촉매의 구조적 특성을 규명할 수 있었다. 이러한 이미징 기법은 비정질이며 결정성인 산화제2구리에 인접해 있는 금 또는 금-구리 합금 나노입자의 활성 촉매 위치가 13시간까지 안정적으로 남아 있다는 사실을 밝혀냈다.

환원 분위기(reducing atmosphere)는 실제로 산화제2구리를 산화제1구리(copper(I) oxide, Cu2O)와 산소가 없는 구리(free copper, 무산소동)로 변형시킨다. 무산소동은 이후 금 나노입자와 합금을 이루어 금 나노입자의 활성을 잃게 한다. 그러나 300°C 이상의 가열은 합금 공정을 반전시켜 촉매의 활성을 복원시킨다.

연구진은 나노공학적 접근을 통하여 Au/CuO/SBA-15 촉매(Au/CuO/SBA-15 catalyst)를 성공적으로 준비했다. 이 과정에는 ① APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane) 분자로 SBA-15의 표면 변형 및 ② 금과 구리 증착을 위한 DP 방법이 포함된다. 두 단계의 전처리 공정은 PROX 반응을 위한 매우 높은 활성의 촉매를 얻을 수 있었다. 산화제2구리 층에 대하여 다음과 같은 세 가지 역할이 규명됐다. 첫째, 금 입자 크기의 최소화, 둘째, 최소화된 금 나노입자의 안정화, 셋째, 분자 산소의 활성화 촉진 등이다.

이러한 금속-산화물 이중 입자 구조(metal·oxide bi-particle structure)는 PROX 반응에 높은 활성을 나타낸다. Au/SBA-15와 CuO/SBA-15 촉매가 모두 우수하다는 사실이 확인됐다. 그러나 이러한 형태의 촉매는 산화제2구리가 환원 분위기 조건에서 산화제1구리와 구리로 환원되고, 구리는 추가로 금 입자를 이동시켜 금 입자의 결합과 분해를 유발하기 때문에, 실온과 높은 반응 온도에서 쉽게 불활성화된다.

비록 연구진이 예를 들면, 금 나노입자의 성장 같은 촉매의 비활성을 유발하는 일부 다른 요인을 제외시킬 수 없다고 하더라고, 낮은 온도 아래 초기 단계 반응에서 촉매 비활성화의 주요 원인은 금과 구리의 합금에 기인한다. 금과 구리의 합금 공정에서는 산화 처리 공정을 통하여 가역 반응이 진행될 수 있다. 100°C 이상의 높은 반응 온도에서는, 구리와 금의 결합과 더불어, 금 입자의 응집 역시 촉매의 비활성화를 방지하기 위하여 억제될 필요가 있다. 연구진은 이러한 기본적인 발견이 촉매의 행동 양식에 대한 이해를 넓힐 뿐 아니라 새로운 촉매의 고안 및 개발에 중요한 역할을 할 것이라고 믿고 있다.

<그림> 촉매 구조적 진화 및 활성/비활성 메커니즘