프랑스 하원이 장기 보류 중인 에너지 정책의 일부로서 2025년까지 원자력 비중을 50%로 감축하는 것에 대한 투표를 실시했다.

프랑수아 홀란데 프랑스 대통령의 2012년 선거 공약은 2025년까지 프랑스 원자력 비중을 50%로 제한하는 것과 2016년 말까지 프랑스에서 가장 노후화된 원전인 페센하임 원전을 폐쇄하는 것이었다. 지난 6월, 프랑스의 에너지 논쟁에 따라서 홀란데 정부는 프랑스의 원자력 용량을 실제로 현재 수준인 63.2 GWe로 유지할 예정이라고 발표했다. 또한 원자력 용량은 2025년까지 프랑스 전체 생산량의 50%로 제한될 것이다. 현재 프랑스의 원자력은 전체 전기 생산량의 거의 75%를 담당한다. 그러므로 프랑스 정부의 에너지 정책을 추진하기 위해서 노후화된 원자로의 폐쇄는 불가피한 현실이다.

프랑스의 녹색성장 법안을 위한 에너지 전환에 대한 논쟁은 10월 1일 프랑스 하원에서 시작되었다. 10월 10일, 프랑스 하원 부의장은 이 법안의 전체적인 목적에 동의했다. 이 법안은 2030년까지 온실가스 배출을 1990년 대비 40% 감축하고, 2050년까지 75% 감축하는 것을 포함한다. 2050년의 에너지 소비량은 2012년의 약 절반이 될 것이다. 최종 에너지 소비량 중 32%를 재생에너지가 분담할 것이며, 2025년까지 원자력은 전체 전기 소비량의 50%를 담당할 것이다.

프랑스 국회의원들은 현재 그 법안을 검토하기 위해서 2주의 기간을 가질 것이다. 이 법안은 내년에 승인될 예정이다.

페센하임 원전의 폐쇄 비용

프랑스 위원회의 예비 보고서가 9월 30일 하원에서 발표되었다. 이 보고서는 페센하임 원전의 폐쇄를 지연하라고 요구했다. 현재 그 원전의 폐쇄에 대한 기술적 사유가 없으며, 페센하임 원전의 조기 폐쇄가 경제적/사회적 영향을 받을 것이라고 그 보고서는 기술했다.

그 보고서에 따르면, 현재 플라망빌에 건설되고 있는 EPR 원자로가 상업운전되는 시기인 2016년에 페센하임 원전을 폐쇄하면 약 63억 달러의 국가비용이 발생될 것이다. 이 비용에는 EDF의 보상금 51억 달러가 포함되어 있다.

페센하임 원전은 현재 연간 2억5400만 달러의 평균 이익을 창출한다고 그 보고서는 언급한다. 2016년부터 2040년까지 그 원전의 계속운전을 허용하면 이득은 60억 달러가 될 것이라고 그 보고서는 추정한다. “문제는 정부에 의해서 제안된 에너지 정책이 공공의 재정으로 그 원전의 폐쇄 비용을 지원하는 것에 대한 정당화 여부”라고 그 보고서는 말한다.

그 보고서는 다음과 같이 결론지었다. “장기 에너지 정책을 따르는 한, 그 정책은 현재 운전되는 2세대 원전의 폐쇄가 아닌 ‘나머지 원자력 용량’의 이득을 유지하는 것으로 경제적 관점에서 이해할 것이다.”          

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

서비스 전체 개요. 발전예측에 따라 원격으로 수전을 제어한다.

- 전기요금 절약이 가능 -

일본 E회사는 2015년부터 “전지 매니지먼트 서비스”를 개시할 예정이다. 250억 엔을 투자하여 공공기관 및 대규모 점포, 사무실 빌딩 등 전력을 소비하는 수요가측에 합계 1만 대의 축전지를 설치한다. 축전지 전체로 수요응답(demand response) 요청에 대응함으로써 전력수급 균형이 가능하게 된다. 수요가는 월액 수천 엔의 비용을 지불하는 것만으로 전기요금 3~5% 삭감할 수 있는 장점이 있다.

태양광발전 등 재생가능 에너지의 도입량이 비약적으로 증가하고 있다. 그러나 일반 전기사업자는 그 이상 태양광 등 재생가능 에너지에서 유래하는 전력을 받을 수 있는 여유가 적다고 주장한다. 홋카이도 전력 및 도호쿠전력, 시코쿠전력, 큐슈전력, 오키나와전력은 계속해서 재생가능 에너지 발전설비에 대한 계약 신청을 보류한다고 발표했다.

이러한 움직임에 축전지를 이용한 서비스로 대응하는 기업이 바로 일본 E사이다. 배터리 매니지먼트 서비스를 위해 250억 엔을 투자하여 공공기관과 대규모 점포, 오피스빌딩 등 전력을 소비하는 수요가 측에 합계 1만 대의 축전지를 설치함으로써 전력수요와 공급의 균형을 취한다.

2015년 초기부터 시스템의 설치를 개시하고, 2015년 내를 목표로 1만 대를 설치하고자 한다. 축전지를 설치하는 거점수는 수요가에 의해 다르나 수천 거점이 대상이 될 것이다. E사가 수요가에서 전지를 제어하는 권한을 얻는 형태의 계약이므로 일반 전기사업자로부터 수요응답 요청을 받은 경우 E사가 축전지를 일괄하여 제어하고, 충방전에 따라 대응한다. 이것이 수요와 공급의 균형으로 이어진다. 이 회사는 신전력(특정규모 전기사업자)으로서 2014년 6월 말 시점에 200만kW의 전력을 관리한다(전력대리구입 서비스). 이 때문에 전력의 수요예측 노하우를 축적하고 있다. 기상통보관에 의한 발전예측도 추진하고 있다. 그리고 빌딩에너지관리시스템(BEMS)을 중심으로 에너지 매니지먼트 시스템을 약 1만 건 판매한다.

배터리 매니지먼트 서비스에서는 이미 실시하고 있는 이러한 서비스를 축전지 관리와 결합한다. 배터리 매니지먼트 서비스를 단독으로 제공하는 것은 아니고 전력 대리구입 서비스와 조합하여 제공한다.

이번에 서비스 대상이 되는 것은 전력 대리구입 서비스의 사용자이다. 이 서비스와 조합함으로써 전력 대리구입 단독의 서비스보다도 전기요금의 할인이 크다. 수요가의 장점은 이번 서비스를 통한 전기요금 삭감 등 세 가지이다. 우선 전력의 피크 컷제어를 이용하여 게약전력을 삭감할 수 있다. 다른 하나는 저가의 야간전력을 축전하여 낮에 방전할 수 있다. 이것도 전기요금 삭감으로 이어진다. 마지막으로 정전시의 백업 전원을 얻을 수 있다. 축전지를 설치하기 위한 초기 비용은 제로이다. 축전시스템 1대당 수천 엔의 월정요금이 있다. 축전지를 설치한 거점당 3~5%의 전기요금을 절감할 수 있을 것으로 예상하며, 수요가의 장점은 클 것이다.

일반사업자(전력회사)의 장점은 재생가능 에너지의 출력변동에 의한 수요와 공급(발전)의 차를 흡수할 수 있다는 것이다. 수급 균형이 안정되고, 비효율 발전소가 가동하는 시간을 줄일 수 있다. 이 회사의 장점은 전력 대리구입 서비스의 계약건수를 늘리고, 동 서비스의 이익률이 높아지며, 새로운 에너지 인프라를 구축함으로써 계통안정화서비스를 사업화할 수 있다는 것이다. 이 시스템을 위해 도시바 IT컨트롤시스템에서 합계 1만 대의 축전지시스템을 구입한다. 축전지시스템의 용량은 1대당 9.9kWh이며, 출력은 10kW이다. 축전지 시스템은 도시바가 개발한 SCiB(Super-Charge Ion Battery) 리튬이온 축전지셀(10Ah)을 내장하고 있으며 약 1만회 충방전이 가능하다. 도시바에 따르면, SCiB의 특징은 수명이 길고 안전하며 저온동작에 강하다 망간계 정극과 티탄산 리튬계 부극을 조합한 축전지이다. 외부와는 단상삼선으로 접속한다. 크기는 950mm×550mm×1600mm이고, 중량은 약 511kg로 실외에 설치한다.

전력회사와 수요가를 중개하는 서비스               

KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』

최근 실시된 한 연구에 따르면 캐나다 앨버타 주에 거주하는 주민들은 지역 재생가능 에너지(Renewable Energy)의 성장이 충분히 이루어지지 않았다고 생각하기 때문에 지금보다 더 많은 풍력에너지를 도입하기 바라고 있는 것으로 나타났다. 캐나다풍력에너지협회(Canadian Wind Energy Association, CANWEA)와 나노리서치(Nanos Research)가 수행한 이번 연구는 재생가능 에너지와 관련한 재미있는 결과를 보여주고 있다.

앨버타 주의 조사 응답자 중 약 86%는 풍력에너지가 온실가스 배출(Greenhouse Gas Emission) 문제를 해결하는데 좋은 방안이 될 것이라고 동의 또는 부분 동의하였다. 또한 80%는 지역 내 풍력에너지를 확대하기 위한 어떠한 조치가 이루어져야 한다고 답변하였다. 현재 앨버타 주는 캐나다 풍력발전 생산규모 면에서 온타리오 및 퀘벡에 이어 3번째로 높은 생산능력을 보유하고 있다. 미 금융컨설팅 업체인 Lazard가 수행한 연구에 따르면 풍력발전은 미국의 일부 지역에서 가장 값싼 전기 생산 옵션인 것으로 나타났으며, 이는 전세계 많은 다른 지역에서도 적용되는 부분이다.

앨버타 주민들은 기존 석유 자원에서 벗어나 더 청정한 에너지를 사용하는 방안을 찾고 있었다. 조사 응답자 중 90% 이상이 재생가능 에너지는 미래 에너지 믹스(Energy Mix)의 중요한 부분이 될 것이라는 점에 동의 또는 부분 동의를 하였다. 그리고 83.8%의 응답자는 풍력이나 태양발전과 같은 재생가능에너지에 더 많은 지역 정부 투자가 이루어지는 것에 긍정 또는 부분적으로 긍정이라고 답변하였다. 그리고 환경적 측면에서 응답자의 34%는 재생가능 에너지 공급을 확대해야 한다고 말한다. 그리고 24%는 에너지 보존 및 효율에 집중해야 한다고 제안하였다. 깨끗한 물을 공급할 수 있도록 자원을 보호해야 한다는 사람들은 18% 였으며, 6%는 야생보호, 5%는 새로운 석유 및 가스 개발을 줄이고 기후 변화에 맞서야 한다고 대답하였다.

이번 조사와 관련한 인구학적 결과를 분석해보면 여성과 30세 미만의 젊은층은 재생가능 에너지에 대해 보다 적극적인 지지를 보여주었다. 이들 젊은층의 86%는 재생가능에너지가 앨버타 주의 미래에 중요한 역할을 할 것이라 대답하였다. 그리고 남성보다 여성이 미래에 재생가능 에너지를 활용하는 것이 중요하다고 응답하였다.

만약 이러한 인구 조사가 적절하다면 앨버타 주에 관심을 두고 지켜보는 것이 좋을 것이다. 가까운 미래에 이들 젊은층으로 이루어진 가족이 보다 일반적인 층을 이루게 된다면 미래 진보적인 정치 및 환경찬화적 정책으로 전환하게 될 것으로 기대되기 때문이다. 이번 조사에서 나타난 결과는 재생가능 에너지의 잠재력을 확인하고, 화석연료에서 벗어나고 싶은 앨버타 주에 힘을 실어주고 있다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

상용 리튬-공기 배터리(Li-O2 battery) 실현과 초고 에너지 밀도(ultra-high energy density) 전망이 직면한 주요 도전 과제 중 하나는 높은 충전 과전압(charge overpotential)이다. 높은 전압 차이는 전지의 낮은 왕복 효율(round-trip efficiency)로 이어지고, 다른 전지 구성 물질이 전기화학적 분해를 겪는 원인이 된다.

독일 JLU(Justus-Liebig-Universitat Gießen) 소속의 연구팀이 수행한 이 연구는 미국 화학학회(ACS; American Chemical Society) 저널에 보고됐다. 연구팀은 이동식 산화환원 반응의 중재자(mobile redox mediator)로 전해질에 균일하게 용해되어 있는 산화 촉매인 TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl)의 추가가 500mV에 이르는 충전 전압의 뚜렷한 감소를 제공한다고 제안했다. 게다가 TEMPO의 추가는 주기 수명의 배가로 이어지는 주기 안전성(cycling stability)을 27회에서 55회로 상당히 강화시켜준다.

리튬-공기 배터리는 전류 흐름을 유발하기 위하여 공기 전극에서 산소의 환원과 리튬 금속 전극에서 리튬의 산화를 기반으로 한다. 방전이 이루어지는 동안, 리튬 과산화물(lithium peroxide, Li2O2)은 약 2.7 V에서 산소의 환원으로 형성된다. 그러나 충전 공정이 이루어지는 동안 리튬 과산화물의 전기 화학적 분해는 4.5V 가까운 전압을 필요로 하고, 이러한 상황으로 낮은 왕복 효율로 이어진다.

게다가, 탄소 음극(carbon cathode)은 높은 전압에서 음극의 산화적 분해를 포함한 충전 동안 기생 반응(parasitic reaction)의 중심으로 규명됐다. 분해 생성물에 의한 표면의 차단은 리튬-공기 배터리의 열악한 주기 수명에 대한 주요 원인으로 보인다. 따라서 충전에 대한 과전압(overvoltage)을 줄이는 것이 보다 더 높은 효율뿐 아니라 보다 더 우수한 주기 안정성을 구비한 리튬-공기 배터리의 추가적인 개발에 중요한 단계라고 할 수 있다.

금속 나노입자, 금속 질화물 및 다양한 군의 금속 산화물 등과 같은 이종 촉매의 사용을 포함한 다양한 접근이 추구됐다. 미국 오하이오 주립대학(Ohio State University) 소속의 연구진은 리튬-공기 전지의 광-지원 충전(photo-assisted charging)을 가능하게 하는 산소 전극과 함께 리튬-산소 배터리에 염료 감응형 광전극(dye-sensitized photoelectrode)을 통합하는 새로운 전략을 개발했다고 보고했다.

오하이오 주립대학 연구진이 제안한 통합된 태양 배터리의 기본 개념은 효율적 및 전기화학적으로 분해되는 리튬 과산화물에서 발생하는 문제로 야기되는 충전 중 과전압을 상당히 줄이기 위하여 광전압의 기여를 사용하는 것이다.

대체 접근 방법은 전극 표면과 리튬 과산화물 사이의 이동식 전하 전달자로 행동하는 용해된 산화환원 반응의 중재자(RM; redox mediator)로 구성된다. 전하 전달은 가역적인 산화환원 반응의 쌍(RM ? RM+ + e?)을 기반으로 한다. 이종 촉매(heterogeneous catalyst)가 소모되는 리튬 과산화물에 대하여 제한되고 단단한 접촉 표면에서만 산소 발생 반응(OER; oxygen evolution reaction)에 영향을 끼치는 반면, 용해된 산화환원 반응 중재자는 리튬 과산화물과 액체 전해질 사이의 훨씬 더 크고 역학적인 간기(interphase)에서 산화적 공격을 제공한다.

지금까지 두 개의 가능한 산화환원 중재자는 리튬-공기 전지에서 집중적으로 조사된 반면, 부가적인 커플이 특허 응용에서 제안됐다. 이 연구에서 연구진은 리튬-공기 전지에서 OER에 대한 매우 우호적인 특성을 가지는 용해된 산화환원 중재자로 니트록시드(nitroxide)의 화학물질 군을 제안했다. 연구진은 모범적 사례로 TEMPO를 조사했으며, 효율성은 다른 니트록시드 화합물을 사용함으로써 추가로 개선될 여지가 있다고 밝혔다.

연구팀은 TEMPO가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 리튬-공기 전지의 충전 메커니즘뿐 아니라, 전기화학적 안정성, 산화환원 전압, 확산 계수 및 TEMPO 추가에 따른 산소 용해도에 대한 영향 등을 조사했다.

TEMPO는 높은 전기화학적 안정성, 빠른 확산 역학 및 적절한 산화환원 전압 등을 나타냈으며, 충분한 산소 용해를 가능하게 했다. 리튬-공기 전지에서 TEMPO의 사용은 상당히 감소된 충전 전압으로 이어졌고, 따라서 뚜렷하게 더 높은 왕복 효율을 달성할 수 있었다. 관찰된 충전 상태는 적절한 음극 디자인에 의해 극복될 수 있는 양극에 대한 기생 왕복의 미미한 기여를 암시하는 평행 기체 발생(parallel gas evolution)과 관련이 있었다. 그러나 기생 왕복은 경쟁적인 확산 경로의 비율을 변화시킴으로써 규명됐다.

그 외에도, TEMPO는 주로 감소된 충전 전압을 기반으로 하는 상당히 강화된 주기 수명을 제공한다. TEMPO의 촉매 활성은 음극 재료를 기반으로 하는 다양한 탄소와 폭넓은 범위의 전류 밀도와를 가능하게 해준다. TEMPO가 니트록시드의 화학물질 군에 대한 한 가지 전형적인 대표 물질이며, 화학물질 치환기의 변형은 추가적으로 충전 전압을 감소시키고, 효율성을 강하시킬 수 있을 것이다.

KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』

(주)운영 www.woonyoung.com

21세기 전력·전자업계의 한 축을 잇는 ‘(주)운영’

제2의 도약기를 열다!

<편집자주>

우리 생활에 없어서는 안 될 소중한 전기. 이러한 전기를 안전하고 효율적으로 사용하기 위해서는 수많은 관련 부품이 필수적이다. 산업용 변압기를 비롯해 각종 전자제어장치를 전문적으로 제조 개발하는 기업이 있다. 전력전자 산업분야에서 중추적 역할을 다하고 있는 (주)운영(대표이사 정운범)이 그 주인공. 본지에서는 전기전자기기를 지속적인 연구개발을 통해 국산화해 제조하고 있는 우수중소기업인 (주)운영을 소개하고자 한다.

취재 이명규 기자(press6@engnews.co.kr)

<정운범 대표> (주)운영의 정운범 대표이사

■ 전력전자 산업의 중추적인 기업, (주)운영

1978년에 창립한 (주)운영은 산업용 변압기(Transformer)의 선두기업으로 36년간 국내 전기산업 시설 등에 노이즈컷트랜스(NCT), 무접점 전자릴레이(SSR), 전력제어 유니트(TPR), 노이즈 필터, SSR유니트, 스위칭파워서플라이(SMPS), 밧데리 자동충전기, 디지털전력보호계전기, 누전경보기(ELD), 지락검출용계전기(GFR), 영상변류기(ZCT) 등 각종 전자제어장치를 공급 및 설치하고 있다. 최근에는 전력 제어로 인한 고조파 대책으로 영상고조파필터(ZHF), 서지보호기(SPD)를 개발해 시판중에 있다.

“초창기에는 산업용 변압기만을 생산했으나, 여러 가지 기업의 환경이나 내외적 환경 변화로 인해 그와 관련된 제품을 생산하기 시작했고, 현재는 다수의 전자제어장치를 제조하고 있다.”는 정운범 대표이사의 소개처럼 (주)운영은 각종 전기전자기기와 전력보호, 제어 토탈 솔루션 등 다양한 영역을 아우르고 있다.

“창립 이후 약 10년 동안은 기초를 다지는 시기였고, 그 후 10년은 성장기였다고 한다면, 지금은 제2의 도약기로 판단해 임직원들과 함께 열심히 일하고 있다.”는 정 대표이사의 언급처럼 (주)운영은 끊임없는 기술개발로 수입에만 의존하던 산업용 변압기 및 관련 장비의 국산화에 성공하며 업계를 선도하는 기업으로 자리잡고 있다.

<사진1> (주)운영의 제2공장 조감도

■ 다양한 제품의 규격화와 표준화에 주력!

“제품이 다양화되면 재고의 부담을 안을 수도 있지만, 그만큼 소비자 입맛에 맞는 제품을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다.”라는 말처럼 (주)운영을 이끌고 있는 정 대표이사가 가장 중점을 두고 있는 것은 바로 제품의 ‘규격화와 표준화’이다. 특히, SSR부문에서는 국내의 최다 품종을 생산할 정도로 제품의 규격을 다양화하고, 유저의 기호에 맞는 제품 생산을 위해 노력하고 있다.

한편, (주)운영은 제품을 아날로그형과 디지털형으로 나눠 공급하고 있다. 전력분야 IT화로 디지털 계기가 많이 이용되고 있지만, 분야마다 아날로그형이 유용한 부분도 있기 때문에 기기마다 적절한 연구 및 생산 방향을 세워 판매하는 마케팅을 펼치고 있는 것이다.

“산업용 변압기류의 경우, 과거 규격품이 생산되지 않았을 때에는 소비자 주문에 의해서만 생산을 했었다. 하지만 당사는 꾸준하게 데이터 관리를 해서 규격화 시키며 사용자들의 편의성을 높였다.” (주)운영은 전압별, 용량별, 크기별로 해서 초기에는 100여 가지였던 산업용 변압기를 현재는 1,000여 가지 정도의 산업용 변압기의 규격폼이 분류되어 있어, 사용자들의 시간소비를 절약하고 편의성을 확대했다. 또한, LED가 부착되어 전기가 들어오면 전원여부를 알 수 있는데, 이는 특허제품으로 세계에서 유일하게 생산중이다.

그 외에도 (주)운영의 제품은 외부에 전선들이 노출되어 있던 기존 산업용 변압기와는 달리 고압전류가 흐르는 곳에 커버를 씌워 안전 확보는 물론, 투박한 산업용 기기의 디자인까지도 고려해 미적감각을 끌어냈다는 특징이 있다.

<사진2> (주)운영의 생산 제품군

■ 대용량 SSR WYFMH-B Series, 업계의 새바람 몰고 와…

(주)운영은 최근 SIMTOS2014를 통해 SSR의 운전 중 발열을 판넬 외부로 배출하는 신개념 대용량 SSR WYFMH-B Series를 비롯해 대용량 노이즈필터, DIN rail용 SMPS 등을 선보이며 업계의 주목을 받았다.

“대용량 SSR Series 본체는 판넬의 내부에 위치하나 발열이 많은 방열판의 방열핀은 판넬 외부의 대기중에 노출되도록 개발했다.”는 정 대표이사의 언급처럼 이와 같은 형태는 SSR 운전 중에 방열판에서 발생하는 발열이 판넬 외부에서 대부분 냉각되고, 판넬 내부로는 극히 일부분만이 전도되어 장시간 운전에도 판넬 내부의 온도를 상승시키지 않아 효율적인 대용량 SSR 운전이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

대용량 노이즈필터는 그 동안 국내에서 생산이 되지 않아 전량수입에 의존해오던 제품을 운영에서 국산화한 제품인데, 산업현장의 주 동력원으로 사용되고 있는 대용량 모터와 인버터를 위한 노이즈 대책 제품으로 평가받고 있다. 그 동안 마땅한 국내 제품이 없어 유럽 등의 전문업체로부터 많은 시간을 소비하며 고가에 수입하던 관련 업계에 희소식이 되고 있는 제품이다.

또한 DIN rail용 SMPS 6개 모델은 계장용 판넬에 광범위하게 사용되는 DIN 레일에 부착할 수 있도록 설계된 제품으로, DIN rail 부착의 특징 외에도 그 동안 일률적이던 금속제 직사각형 디자인을 탈피해 기본 외장은 미려한 난연성 고강도 엔지니어링 플라스틱이 적용된 Cubic 형태가 도입되었다. 입출력 단자대에는 고급스러운 Smoky Acrylic Door가 적용되어 안전성과 현대적인 디자인 감각을 추구했다.

<사진3> (주)운영의 산업용 변압기

<사진4> (주)운영의 노이즈필터 

■ 제2공장 착공으로 생산성 향상, 집중적인 해외 시장 공략으로 거듭 성장!

“끊임없는 연구개발과 실질적인 상품화를 통해 높은 기술경쟁력을 보유하고 있는 (주)운영은 제2공장의 증설로 새로운 도약을 준비하고 있다. 올해 천안 제2공장이 완공되어 생산성이 향상됨에 따라 고객 여러분께 더 저렴한 가격으로 제품을 공급할 수 있을 것으로 전망된다.”는 정 대표이사의 비전에 대한 언급에서 알 수 있듯이 (주)운영은 생산량 증대를 통해 가격경쟁력을 강화하고, 집중적으로 해외시장을 개척하고자 한다고 밝혔다. 전부터 (주)운영은 그 동안 수입에 의존하던 SSR, TPR, SMPS 등 국산화 개발에 성공, 국내 수입의존도를 경감했을 뿐만 아니라 중국, 남미, 아르헨티나, 동남아 지역 등에 수출하고 있다. ISO, CE, UL, CSA 등의 인증을 획득하고, 시스템화에 따른 하이테크 산업의 기술보급과 기타 모든 FA부분에 제품을 공급해 전력산업에 앞서 나가고 있다. 여기에 금년 안으로 해외영업부를 신설해 보다 해외시장 개척에 주력할 계획임을 강조했다.

이처럼 국제적인 영업 강화뿐만 아니라 내수 시장 공략을 위해 현재 국내 유수 대기업 및 중소배전반 업체에 제품을 공급하고, 전국의 대리점망을 통한 전략적 마케팅을 펼치기 위해 박차를 가하고 있는 (주)운영. 36년 외길의 탄탄한 기술력과 소통, 화합의 경영으로 창조경제시대를 선도하고 있는 (주)운영의 밝은 미래를 기대해본다.

<플라스틱기계산업 4월호에 게재되었습니다>

(주)운영 www.woonyoung.com

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21세기 전력·전자업계의 한 축을 잇는 ‘(주)운영’

제2의 도약기를 열다!

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<편집자주>

우리 생활에 없어서는 안 될 소중한 전기. 이러한 전기를 안전하고 효율적으로 사용하기 위해서는 수많은 관련 부품이 필수적이다. 산업용 변압기를 비롯해 각종 전자제어장치를 전문적으로 제조 개발하는 기업이 있다. 전력전자 산업분야에서 중추적 역할을 다하고 있는 (주)운영(대표이사 정운범)이 그 주인공. 본지에서는 전기전자기기를 지속적인 연구개발을 통해 국산화해 제조하고 있는 우수중소기업인 (주)운영을 소개하고자 한다.

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취재 이명규 기자(press6@engnews.co.kr)

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<정운범 대표> (주)운영의 정운범 대표이사

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■ 전력전자 산업의 중추적인 기업, (주)운영

1978년에 창립한 (주)운영은 산업용 변압기(Transformer)의 선두기업으로 36년간 국내 전기산업 시설 등에 노이즈컷트랜스(NCT), 무접점 전자릴레이(SSR), 전력제어 유니트(TPR), 노이즈 필터, SSR유니트, 스위칭파워서플라이(SMPS), 밧데리 자동충전기, 디지털전력보호계전기, 누전경보기(ELD), 지락검출용계전기(GFR), 영상변류기(ZCT) 등 각종 전자제어장치를 공급 및 설치하고 있다. 최근에는 전력 제어로 인한 고조파 대책으로 영상고조파필터(ZHF), 서지보호기(SPD)를 개발해 시판중에 있다.

“초창기에는 산업용 변압기만을 생산했으나, 여러 가지 기업의 환경이나 내외적 환경 변화로 인해 그와 관련된 제품을 생산하기 시작했고, 현재는 다수의 전자제어장치를 제조하고 있다.”는 정운범 대표이사의 소개처럼 (주)운영은 각종 전기전자기기와 전력보호, 제어 토탈 솔루션 등 다양한 영역을 아우르고 있다.

“창립 이후 약 10년 동안은 기초를 다지는 시기였고, 그 후 10년은 성장기였다고 한다면, 지금은 제2의 도약기로 판단해 임직원들과 함께 열심히 일하고 있다.”는 정 대표이사의 언급처럼 (주)운영은 끊임없는 기술개발로 수입에만 의존하던 산업용 변압기 및 관련 장비의 국산화에 성공하며 업계를 선도하는 기업으로 자리잡고 있다.

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<사진1> (주)운영의 제2공장 조감도

■ 다양한 제품의 규격화와 표준화에 주력!

“제품이 다양화되면 재고의 부담을 안을 수도 있지만, 그만큼 소비자 입맛에 맞는 제품을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다.”라는 말처럼 (주)운영을 이끌고 있는 정 대표이사가 가장 중점을 두고 있는 것은 바로 제품의 ‘규격화와 표준화’이다. 특히, SSR부문에서는 국내의 최다 품종을 생산할 정도로 제품의 규격을 다양화하고, 유저의 기호에 맞는 제품 생산을 위해 노력하고 있다.

한편, (주)운영은 제품을 아날로그형과 디지털형으로 나눠 공급하고 있다. 전력분야 IT화로 디지털 계기가 많이 이용되고 있지만, 분야마다 아날로그형이 유용한 부분도 있기 때문에 기기마다 적절한 연구 및 생산 방향을 세워 판매하는 마케팅을 펼치고 있는 것이다.

“산업용 변압기류의 경우, 과거 규격품이 생산되지 않았을 때에는 소비자 주문에 의해서만 생산을 했었다. 하지만 당사는 꾸준하게 데이터 관리를 해서 규격화 시키며 사용자들의 편의성을 높였다.” (주)운영은 전압별, 용량별, 크기별로 해서 초기에는 100여 가지였던 산업용 변압기를 현재는 1,000여 가지 정도의 산업용 변압기의 규격폼이 분류되어 있어, 사용자들의 시간소비를 절약하고 편의성을 확대했다. 또한, LED가 부착되어 전기가 들어오면 전원여부를 알 수 있는데, 이는 특허제품으로 세계에서 유일하게 생산중이다.

그 외에도 (주)운영의 제품은 외부에 전선들이 노출되어 있던 기존 산업용 변압기와는 달리 고압전류가 흐르는 곳에 커버를 씌워 안전 확보는 물론, 투박한 산업용 기기의 디자인까지도 고려해 미적감각을 끌어냈다는 특징이 있다.

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<사진2> (주)운영의 생산 제품군

■ 대용량 SSR WYFMH-B Series, 업계의 새바람 몰고 와…

(주)운영은 최근 SIMTOS2014를 통해 SSR의 운전 중 발열을 판넬 외부로 배출하는 신개념 대용량 SSR WYFMH-B Series를 비롯해 대용량 노이즈필터, DIN rail용 SMPS 등을 선보이며 업계의 주목을 받았다.

“대용량 SSR Series 본체는 판넬의 내부에 위치하나 발열이 많은 방열판의 방열핀은 판넬 외부의 대기중에 노출되도록 개발했다.”는 정 대표이사의 언급처럼 이와 같은 형태는 SSR 운전 중에 방열판에서 발생하는 발열이 판넬 외부에서 대부분 냉각되고, 판넬 내부로는 극히 일부분만이 전도되어 장시간 운전에도 판넬 내부의 온도를 상승시키지 않아 효율적인 대용량 SSR 운전이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

대용량 노이즈필터는 그 동안 국내에서 생산이 되지 않아 전량수입에 의존해오던 제품을 운영에서 국산화한 제품인데, 산업현장의 주 동력원으로 사용되고 있는 대용량 모터와 인버터를 위한 노이즈 대책 제품으로 평가받고 있다. 그 동안 마땅한 국내 제품이 없어 유럽 등의 전문업체로부터 많은 시간을 소비하며 고가에 수입하던 관련 업계에 희소식이 되고 있는 제품이다.

또한 DIN rail용 SMPS 6개 모델은 계장용 판넬에 광범위하게 사용되는 DIN 레일에 부착할 수 있도록 설계된 제품으로, DIN rail 부착의 특징 외에도 그 동안 일률적이던 금속제 직사각형 디자인을 탈피해 기본 외장은 미려한 난연성 고강도 엔지니어링 플라스틱이 적용된 Cubic 형태가 도입되었다. 입출력 단자대에는 고급스러운 Smoky Acrylic Door가 적용되어 안전성과 현대적인 디자인 감각을 추구했다.

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<사진3> (주)운영의 산업용 변압기

<사진4> (주)운영의 노이즈필터 

■ 제2공장 착공으로 생산성 향상, 집중적인 해외 시장 공략으로 거듭 성장!

“끊임없는 연구개발과 실질적인 상품화를 통해 높은 기술경쟁력을 보유하고 있는 (주)운영은 제2공장의 증설로 새로운 도약을 준비하고 있다. 올해 천안 제2공장이 완공되어 생산성이 향상됨에 따라 고객 여러분께 더 저렴한 가격으로 제품을 공급할 수 있을 것으로 전망된다.”는 정 대표이사의 비전에 대한 언급에서 알 수 있듯이 (주)운영은 생산량 증대를 통해 가격경쟁력을 강화하고, 집중적으로 해외시장을 개척하고자 한다고 밝혔다. 전부터 (주)운영은 그 동안 수입에 의존하던 SSR, TPR, SMPS 등 국산화 개발에 성공, 국내 수입의존도를 경감했을 뿐만 아니라 중국, 남미, 아르헨티나, 동남아 지역 등에 수출하고 있다. ISO, CE, UL, CSA 등의 인증을 획득하고, 시스템화에 따른 하이테크 산업의 기술보급과 기타 모든 FA부분에 제품을 공급해 전력산업에 앞서 나가고 있다. 여기에 금년 안으로 해외영업부를 신설해 보다 해외시장 개척에 주력할 계획임을 강조했다.

이처럼 국제적인 영업 강화뿐만 아니라 내수 시장 공략을 위해 현재 국내 유수 대기업 및 중소배전반 업체에 제품을 공급하고, 전국의 대리점망을 통한 전략적 마케팅을 펼치기 위해 박차를 가하고 있는 (주)운영. 36년 외길의 탄탄한 기술력과 소통, 화합의 경영으로 창조경제시대를 선도하고 있는 (주)운영의 밝은 미래를 기대해본다.

<플라스틱기계산업 4월호에 게재되었습니다>

유연한 원자력 발전에 높은 태양광 발전 시나리오를 사용한 경우의 비용예측

2006년, 미국에서 연간 평균 0.03% 정도 전력만이 단절되었다. 현재, 석탄, 원자력 및 가스를 이용한 발전소로부터 대부분의 전력을 얻는 시스템으로 필요 시 발전소를 가동 혹은 중단시킬 수 있다.

햇빛이 비치거나 바람이 불 때만 전기를 만들 수 있는 재생에너지원을 이용해 더 많은 전기를 생산함에 따라, 미국 에너지부 산하 아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory) 과학자들은 높은 정도의 전기 신뢰성을 유지하기 위한 발전소 가동에 관한 전력시스템 모델링을 수행하였다.

전기를 저장할 수 없다는 사실을 감안한다면, 99.97%의 시간 동안 전기를 무난히 사용할 수 있다는 것은 매우 인상적인 일이다. 사실상, 원할 때 언제든지 전기를 사용할 수 있도록 만드는 것이 바람직할 것이다. 즉, 전력회사들은 발전소 수와 수요 간에 균형을 신중하게 유지해 얼만큼의 전기를 생산하고 발전소를 가동해야 하는지 결정해야 한다. 이것을 부하균형(load balancing)이라고 부른다. 부하균형의 중요한 점 중 한 가지는 필요할 것으로 예측되는 것보다 항상 더 많은 양의 전기를 생산해야 한다는 점이다. 그렇지 않으면 갑작스런 수요 증가나 고장으로 인해 정전(blackouts)이 발생할 수 있기 때문이다.

풍력이나 태양열과 같은 재생에너지원을 전력원에 포함시킬 수는 있지만, 이런 재생에너지원은 수요에 따라 항시 사용할 수 있지는 못하다는 문제가 있다. 따라서 에너지 믹스(mix)에 더 많은 재생에너지를 추가하려면, 발전설비의 용량 또한 증가시켜야 한다. 예를 들어 중요한 시기에 구름이 많거나 바람이 없을 때, 석탄이나 천연가스를 이용한 기존의 발전소 형태를 추가로 가동해야 하기 때문이다.

하지만 이것은 비용 측면에서나 환경적 측면에서 불리하기 때문에, 소비자의 수요를 신뢰성 있기 충족시킬 만큼 충분한 전기를 생산하면서도 발전소에서의 생산량을 최소화하는 것이 바람직하다. 이것을 어떻게 해결하는가는 모든 전력회사가 가진 과제이기도 하다.

태양광 발전단지(solar farm)의 경우, 수 일 전에 예측치를 바탕으로 가동 결정을 하게 된다. 그러나 만약 갑자기 구름이 많아지거나 사람들의 에어컨 사용량이 증가하는 등으로 예측치를 벗어나게 된다면, 태양을 기반으로 하는 시스템은 불안정하고 정전에 취약하고 더 많은 비용이 발생하게 될 것이다.

전력회사들은 오랫동안 예측을 해 왔다. 그러나 전력회사는 주로 수요를 예측하는 것이었기 때문에, 태양광 발전을 전력공급에 포함한다는 것은 공급 또한 예측해야 한다는 부담이 존재하게 된다.

최근 연구에서 Botterud 등은 전력회사의 실제 자료를 사용하여 예측 오차(forecasting error)의 패턴을 분석하고 에너지 믹스에 더 많은 태양에너지를 포함시키기 위한 비용을 감소시키기 위한 가능한 시나리오들을 모델링하였다. 남서부 전력회사인 Arizona Public Service Company의 가동자료를 이용해, 연구팀은 9% ~ 17%의 태양에너지를 포함하는 경우에서의 다양한 시나리오를 가진 전력망을 모델화했다.

연구팀은 예측 오차 및 태양광 발전의 변동성을 예측하기 위한 프레임워크를 구축하였으며, 대상 기간은 하루 전 및 한 시간 전의 경우 모두를 포함하였다. 가장 비용이 많이 사용되는 경우는, 한 시간 전에 갑자기 발생한 경우로 추가적으로 발전소를 갑자기 가동해야 하기 때문이다.

재생에너지를 기존 전력망에 포함시킴에 있어서 유연성(flexibility)이 핵심 사항이다. 보통, 이런 유연성은 공급측면(예를 들어 유연한 열 발전기)뿐만 아니라, 수요 측면도 동시에 고려해야 한다.

발전소 간에 전력을 거래하는 것도 또한 중요하며, 이는 수요가 낮고 태양에너지에 의한 발전량이 매우 높을 때 그러하다. 이로서 전기 생산과 수요의 최고점과 최저점의 격차를 감소시키는데 도움을 주게 된다. 본 연구는 발전소에 재생에너지를 이용한 전력생산량을 포함함에 따른 가동 비용의 증가를 예측하는 모델을 소개하고 있으며, 발전소가 비용을 관리하기 위한 옵션도 제시해 주고 있다.

Botterud 등은 수요 측면에서의 소비자의 유연성을 좀 더 심도 있게 조사할 계획이며, 이것이 에너지 믹스에 얼마나 더 많은 재생에너지를 포함시킬 수 있을지도 가늠하는데 도움을 줄 것이다. 예를 들어, 소비자들에게 그들의 에너지 사용과 전기 가격에 대해 모니터링할 수 있는 도구를 주게 되면, 소비자들은 중요한 시점(즉, 전기 가격이 높은 시점)에서 전기 사용량을 스스로 감축하는 것을 가능하게 해 줄 것이다.

유연성을 부여하는 또 다른 가능성은 개선된 가동 전략이다. 예를 들어, 전력회사에서 태양광 발전에 대한 확률적 예측을 사용한다면, 날씨 예측의 불확실성에 기반하여 전기 생산량에 변화를 줄 수 있다. 만약 구름이 발생할 확률이 매우 낮다면, 그날 오후에 발전량을 적게 가져갈 수 있게 될 것이다.

목적은 태양광 발전의 통합비용을 감소시키기 위해 광범위한 자료를 사용할 수 있도록 모델을 구축하는 것이다. 본 연구가 독특한 이유는, 사용된 자료가 상세하고 방대하다는 점이다. 연구팀은 더 많은 재생에너지를 활용할 수 있도록 전력회사를 도울 수 있는 연구결과물을 제공하는 것이다.

본 연구결과는 "Integrating Solar PV in Utility System Operations"라는 제목으로 아르곤국립연구소 웹사이트에 게재되어 있다. 본 연구에 참여한 다른 저자는 Zhi Zhou 및 Jing Wu이다. 본 연구는 로렌스버클리 국립연구소 및 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)와 함께 수행하였으며, 미국 에너지부의 SunShot Initiative가 자금지원을 하였다.

태양광 발전 통합비용과 성능 균형 간의 상쇄관계

KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』

최근 뉴욕타임즈(New York Times)는 건물이나 주택의 지붕 위에 설치되어 있는 태양전지판(Solar Panel)이 일반적으로 남쪽 방향을 바라보는 것에 대해 논리적인 질문을 던지는 기사를 게재하였다. 태양의 이동방향을 추적하여 스스로 방향을 조절할 수 없는 전지판이 남쪽을 바라보게 하는 이유는 하루 중 가장 많은 에너지를 수집하기 위함이다.

해는 동쪽에서 떠오르기 때문에 남쪽을 바라보고 있는 태양전지판은 태양광의 일부를 흡수할 수 있다. 주간 시간대에 태양이 떠오르고 지기 때문에 태양광 중 일부는 지속적으로 전지판에 도달할 수 있으며, 이러한 방식이 가장 많은 전기를 생산한다. 그러나 이제 일부 사람들은 지도의 격자와 연계하는 태양전지판의 방향에 대한 논리에 대해 의문을 갖기 시작하였다.

이러한 논란에 있어 중심이 되는 부분은 가정 및 건물에서 사용되는 태양전지판에 수집되는 에너지가 그리드에 어떻게 사용되고 있는가와 관련있다. 만약 주택 소유주들이 사용되는 전기보다 더 많은 양을 만들 수 있다면 잉여전기를 그리드에 전송하여 다른 사람들이 사용할 수 있게 한다. 그러면서 주택 소유주는 전기를 만드는데 필요한 비용을 지불 받을 수 있다.

그러나 이제 일부 사람들은 이러한 접근 방법이 변화되어야 한다고 말한다. 이 아이디어가 그리드에 가장 적합하게 도출되었다면 주택 소유주들은 자신들의 태양전지판을 서쪽 방향으로 향하게 하는 것이 훨씬 더 타당하다. 왜냐하면 늦은 오후 및 이른 저녁 시간대에는 주택 소유주들이 조명, 에어컨, 텔레비전 등을 활발하게 사용하는 시기이기 때문이다. 즉 태양전지판의 목표가 그리드 운영을 돕고자 한다면 그리드가 가장 필요로 하는 시기에 대부분의 전기를 그리드로 보내는 것이 훨씬 좋을 것이다.

이와 같은 논란은 이슈 중 하나일 뿐이다. 또 다른 이슈는 태양발전으로 얻어진 전기를 그리드에 내보내는 것이 풍력발전이나 천연가스 발전 전기를 그리드로 내보내는 유틸리티 회사들에게 문제를 유발시킨다는 점이다. 이와 같은 일은 재생가능 자원이 훨씬 값싼 비용으로 에너지를 제공할 수 있으나 가용한 시간은 몇 시간뿐이기 때문에 발생한다. 따라서 재생가능 자원이 석탄이나 원자력 발전소의 기능을 약화시킨다면 사람들은 왜 그러한 오래된 자원이 지속적으로 존재할 수 있는지에 의문을 품을 것이다. 그 이유는 이들이 날씨나 시간에 관계없이 언제나 완전한 규모의 전력을 공급할 수 있으며, 이러한 서비스를 위해서 추가적인 비용이 발생하지 않는다는 점이다.

이러한 논란에 있어 한 가지 간과되고 있는 작은 요소는 어느 시점에 도달하면 그리드의 모든 자원이 함께 존재하지 못할 수 있다는 것이다. 만약 우리 모두가 기술을 활용하여 스스로 전기를 만들 수 있다면 어떻게 될 것인가? 태양전지판이 남쪽 방향을 바라보는 것에 대한 이야기가 전혀 가치가 없는 것보다는 논란을 만들 수 있지는 않을 것인가?

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

N-도핑된 공축 탄소 나노케이블

중국 연구진은 연료 전지와 배터리를 위한 새로운 전극을 개발했다. 탄소 나노튜브와 질소가 도핑된 탄소 나노튜브로 구성된 이 전극은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

연료 전지와 금속-공기 배터리와 같은 고용량 에너지 시스템을 위한 핵심 전극 반응들은 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)과 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)이라고 불리는 다중-전자 프로세스이다. 이런 반응의 성능은 전극 재료에 사용되는 촉매 활성에 상당한 영향을 끼친다.

높은 촉매 활성에도 불구하고, 백금, 루테늄, 이리듐과 같은 기존의 귀금속 촉매 물질은 높은 비용과 열악한 안정성 때문에 어려움을 받고 있다. 결과적으로, 과학자들은 촉매를 비-귀금속 또는 심지어 비-금속 재료로 대체할 수 있는 방법을 찾고 있다. 한 가지 방법은 나노탄소 물질에서 찾을 수 있는데, 이것은 반응성과 촉매 특성을 매우 향상시킨다.

이번 연구진은 에너지 시스템을 위한 탄소 나노물질에 대한 연구를 이전에 수행했다. 이 새로운 연구에서, 이번 연구진은 코어(core)로서 탄소 나노튜브와 쉘(shell)로서 질소가 도핑된 주름진 탄소 층을 가진 독특한 동축 탄소 나노케이블 물질을 개발했다.

저널 Advanced Functional Materials에 10월 15일자로 게재된 최근 연구에서, 이런 동축 나노케이블의 표면에 N 도펀트 원자가 풍부하게 존재한다는 것을 발견했다. 즉, N-결합이 유도된 활성 부위가 표면에 존재한다는 것을 의미한다.

“탄소 구조 속에 질소 원자들의 결합은 주위 탄소 원자들의 전자 구조를 효과적으로 조절할 수 있고, 국부적인 전하 밀도 분포를 조율할 수 있는데, 이것은 화학적 반응을 향상시키고 촉매 성능을 증가시킨다”고 Zhang은 설명했다. “그러나 대부분의 질소 도핑된 탄소 나노튜브의 경우에, 질소 원자들은 균일하게 분포된다”고 Zhang은 덧붙였다. 

이와는 대조적으로, 탄소 나노케이블 위의 활성 부위들은 산소가 포함된 전기화학적 반응을 촉진하는데 효과적이다. 따라서 CNT@NCNT(nitrogen-doped carbon nanotube) 나노케이블은 벌크 도핑된 NCNT와 비교했을 더 높은 ORR/OER 전류를 가진다. CNT@NCNT 공축 나노케이블을 제조하기 위해서, 이번 연구진은 손쉬운 비-액상 방법을 개발했다.

“아주 얇은 질소를 함유하는 터보스트래틱(turbostratic)은 CVD 방법에 의해서 탄소 나노튜브의 외부 벽 위에 에피택셜하게 성장될 수 있다. 이것은 실린더형 CNT 벽과 주름진 N-도핑된 층으로 구성된 공축 나노케이블을 제조할 수 있게 한다”고 Tian이 설명했다. “도펀트인 N 원자들은 이미 제조된 나노케이블의 표면에 풍부하게 존재한다. 그리고 내부 벽들은 원래 상태로 존재하고, 이것은 3.3 S cm-1의 높은 전기 전도성을 이끈다”고 Tian이 말했다.

표면에 N 원자가 풍부하게 존재하게 하고 연속된 내부 벽을 가지게 함으로써, CNT@NCNT은 우수한 전기 촉매 활성을 가진다. “유사한 도핑 수준을 가진 벌크 도핑된 NCNT과 비교할 때, CNT@NCNT 촉매는 산소 환원과 발생 반응에서 더 높은 전류 밀도와 낮은 과전압을 가진다”고 Wei가 덧붙였다. 도핑 원자에 의해서 유도된 활성 표면 부위가 반응물에 더 접근 가능하게 할 뿐만 아니라, 탄소 물질의 극성과 친수성은 전극 재료와 전해질 간의 계면에서 물질 전달을 촉진한다.

이번 연구진은 내부벽에 의한 높은 전기 전도성이 탄소 나노튜브 속의 N 도핑된 층의 빠른 전하 전달에 기인한다는 것을 발견했다. “결과적으로, CNT@NCNT은 NCNT와 비교할 때 우수한 정전기적 특성을 가진다”고 연구진은 말했다.

이번 연구진은 산소 전기화학(oxygen electrochemistry)을 위한 우수한 촉매 이외에도 CNT@NCNT 공축 나노케이블이 고성능 복합물 속의 계면에서 활성 부위를 완전히 노출시킬 수 있는 우수한 플랫폼이라는 것을 제시했다. 또한 선택적인 산화 반응을 위한 효과적 촉매 혹은 금속 나노입자 지지체와 나노센서로서 유용할 것이다. 이 연구결과는 저널 Advanced Functional Materials에 “Toward Full Exposure of “Active Sites”: Nanocarbon Electrocatalyst with Surface Enriched Nitrogen for Superior Oxygen Reduction and Evolution Reactivity“ 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adfm.201401264).

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

그라핀 기반 공기 전극의 지형. a, b) 다른 확대크기에서 어떠한 처리없이 준비된 기능화된 그라핀 시트 (FGS) (탄소/산소 (C/O) = 14)의 SEM 이미지. c, d) C/O = 14와 C/O = 100를 가진 FGS를 이용한 방전된 공기 전극.

그라핀 기반 나노물질들은 에너지 관련 영역들에서 많은 유망한 응용들을 가지고 있다. 예를 들어, 그라핀은 재충전 배터리 내 에너지 용량과 충전율 모두를 개선하고 있고 활성화된 그라핀은 에너지 저장을 위해 우수한 수퍼캐패시터를 만들며, 그라핀 전극들은 값싸고 가벼우며 플렉서블한 태양전지를 만드는 유망한 접근방법을 이끌 수 있고 구겨진 그라핀은 고에너지 리튬 저장 물질의 성능을 향상시키며, 다기능 그라핀 매트는 촉매 시스템을 위한 유망한 기판이다. 이 예들은 그라핀이 태양전지, 수퍼캐패시터, 리튬 이온 배터리, 연료 전지를 위한 촉매에서 충격을 가할 수 있는 네 가지 주된 에너지 관련 분야들에서 주목을 받고 있다는 것을 의미한다. 여기서 배터리와 수퍼캐패시터 등 에너지 저장 응용들에 대한 내용을 주로 다루고 있다.

그라핀과 그라핀 기반 물질들은 전기화학 에너지 저장 시스템들을 위한 대체 전극 물질들로 선택하도록 높은 기계적인 유연성, 큰 표면적, 화학적인 안정성, 우수한 전기적, 열적 전도성 등 특이한 특성으로 이 영역에서 매우 큰 주목들 끌고 있다.

"Graphene and Graphene-Based Materials for Energy Storage Applications"라는 제목의 스몰 지 최신 리뷰 기사는 네 가지 에너지 저장 시스템인 리튬 이온 배터리, 수퍼캐패시터, 리튬 황 배터리, 리튬 공기 배터리에 대한 그리핀 및 그라핀 기판 물질들에서의 진행사항들을 개괄하고 있다.

고전력 리튬 이온 배터리 (LIB)를 개발하기 위해 중요한 것은 Li 이온들의 짧은 확산 길이를 이용한 빠른 전자 이동와 큰 표면적을 위해 높은 전기 전도성과 잘 개발된 나노구조를 가진 새로운 물질들을 개발하는 것이다.

이 측면에서, 우수한 전기 전도성, 훌륭한 기계적인 유연성, 훌륭한 화학적인 안정성, 큰 표면적 (2630 m2 g-1)으로 인해 그라핀은 좋은 후보물질이 될 것으로 기대되고 있다. 그러나, 실재적인 응용들에 대한 한계로 초기 그라핀 전극들을 가진 LIB는 안정된 잠재적인 출력들을 제공할 수 없다고 보고되었다.

이런 문제를 우회하고 그라핀 전극들의 성능을 더 개선하기 위해 다양한 전략들이 개발되고 있다.

에너지 포획과 저장 소자의 또 다른 종류가 빠르게 성장하면서, 수퍼캐패시터 혹은 울트라캐패시터로 알려진 전기화학 캐패시터 (ES)가 더 높은 전력 밀도와 더 훌륭한 주기성 측면에서 배터리에 비해 더 많은 장점을 가지고 있다. 이외에, 그들은 기본적으로 관리없이 매우 간단한 충전 회로를 요구하고 어떠한 메모리 효과도 없을 것이어서 떠오르는 재생 에너지 응용들에 대한 매우 유망한 후보소자로 고려되고 있다.

지금까지, 상용화된 EC의 에너지 밀도는 리튬 이온 전지의 20?170 Wh kg-1 에 비해 매우 작은 5?10 Wh kg-1만을 얻을 수 있다.

리튬 황 (Li-S) 배터리의 초기 연구는 1940년대로 돌아가기 때문에, 수많은 연구들이 상용화를 위해 투자되어왔다. 그러나, 아직까지 수 많은 문제들이 이 기술의 상용화를 막고 있다. 하나의 주된 문제는 제한된 활성 물질 이용 효율과 비율 용량을 초래하는 황의 고유한 낮은 전기 전도성이다. 또 다른 문제는 충전-방전 과정에서 반응 중간매체들이 매우 용해되면서 형성된 다황화 음이온이다.

지금까지, 위의 문제들에 대한 가능한 해법은 황 전극 전기 전도성 개선, 용해가능 Li2Sn 중간매체들의 포획, 주기 도중 전극의 부피 변화 개선 등 탄소 매트릭스 내 황을 캡슐화하는 것이다. 이 탄소 물질들 사이에서 Li-S 배터리 내 그라핀 응용은 특이한 2D 표면, 높은 전도성과 우수한 기계적인 유연성으로 인해 매우 유망하다. 이외, 그라핀의 표면 기능화 그룹들은 주기 과정 도중 그라핀 표면 상에 S/Li2Sx를 움직이지 못하도록 유연하게 조절될 수 있다.

잠재적인 차세대 에너지 저장 소자로 리튬 공기/산소 (Li-O2) 배터리는 일반적인 Li-ion 배터리 내 치윤을 금지한다. Li 이온들은 다공성 전극에서 산소와 직접 반응한다.

특이한 배터리 화학과 전극 구조가 자동차 응용들에서 배터리에 설정된 목표 (∼1700 Wh kg-1)에 맞는 잠재성을 가지는 매우 증가된 이론적인 비에너지 (∼3500 Wh kg-1)를 제공하고 있다. 결론적으로 일반적인 활성 물질 내로 그라핀과 그라핀 관련 물질들의 이용이 선구적인 에너지 저장 시스템들인 Li 이온 배터리, 수퍼캐패시터, Li-S 배터리, Li-O2 배터리에서 많은 놀라운 진보들을 이루어 왔다. 수퍼캐패시터의 미래 디자인과 최적화의 경우, 2D 그라핀 시트들의 자기 조립적인 특성과 활성 물질들 (금속 산화물, 금속 황화물)과의 더 많은 혼성을 기반한 3D 구조들이 매우 유망할 것으로 기대되고 있다.

KISTI 미리안 글로벌동향프리핑