오사카대학 대학원 공학연구과 연구팀은 큐슈공업대학, 오사카부립대학과 공동으로 실리콘을 나노구조화함으로써 실리콘이 가진 열전변화효율을 3배 이상 향상시키는 데 성공하였다. 이것에 의해 다양한 장소에서 다량으로 존재하는 폐열을 회수하여 고품질의 전기에너지로서 재활용할 수 있는 열전변환기술의 실용화가 기대된다.

기존 열전변환재료는 텔루르와 납으로 유독하고 희소한 원소로 구성되어 있으며, 이것이 열전발전의 실용화에 장벽이 되고 있다. 한편 실리콘은 무독으로 자원량도 풍부하다는 이점이 있지만, 열전도율이 높기 때문에 지금까지 그 열전변환 효율은 좋지 않았다. 재료를 나노구조화함으로써 전기적 성질에는 영향을 미치지 않으며, 열전도율을 저감할 수 있다는 것을 이론상 알게 되었다. 이번에 극히 간단하고 재현성이 높은 방법으로 나노구조화된 벌크상의 실리콘을 제작하는데 성공하였으며, 그 결과 실리콘 열전변환 효율이 3배 이상 향상되었다.

열전발전기술은 소형, 경량, 고신뢰성, 유지관리 용이 등과 같은 특징 때문에 지금까지는 주로 혹성탐사기에 탑재된 원자력전지의 전원으로서 이용되어 왔다. 이번에 독성이 없으며 자원량도 풍부한 실리콘으로 열전변환 효율이 대폭 향상되었다. 이것은 여러 가지 장소에서 다량으로 버려지는 저품질의 열에너지를 회수하여 고품질의 전기에너지로서 재이용하는 기술(즉, 열전발전기술)의 실용화를 가속시키는 것이다. 구체적으로는 공장과 쓰레기 소각시설에서 배열을 이용한 직접 발전시스템과 자동차의 연비향상을 위한 배열회생시스템 등으로 응용할 수 있다.

열전변환 재료에서는 고체의 제베크 효과를 이용하여 온도차로 직접 전력을 만들어 낸다. 열전변환 재료에서는 재료 중에 효과적으로 온도차를 만들기 위하여 재료 자신의 열전도율은 낮을수록 좋으며, 한편으로 발생한 전기를 높은 효율로 만들어 내기 위해서 재료 자신의 전기전도율은 높을수록 좋다. 따라서 열전변환 재료의 고효율화를 위해서는 열은 통하지 않으나 전기는 잘 통하는 모순된 상황을 재료 속에서 만들어 낼 필요가 있다.

기존에 대표적인 열전변환 재료는 Bi2Te3과 PbTe이다. 이들은 높은 열전변환 성능지수(zT = 0.8~1정도)를 나타내지만, 구성원소인 텔루르(Te)의 독성과 희소성, 납(Pb)의 독성, 비스무트(Bi)의 자원편재성이 문제가 되고 있다. 열전발전기술의 광범위한 산업화를 위해서는 독성이 없으며 자원량이 풍부한 원소로 구성된 고효율 열전변환 재료의 개발이 요구된다.

실리콘(Si)은 대표적 환경조화형 원소이며, 독성이 낮으며, 자원량이 풍부하다. 또한 유통량이 많고 저가격에 고품질의 재료가 입수 가능하다는 이점을 가지고 있다. 그러나 실리콘의 열전도율은 실온에서 150Wm-1K-1정도이며, 이것은 기존 열전변환 재료인 Bi2Te3의 열전도율의 약 100배에 상당한다. 이 높은 열전도율 때문에 지금까지 실리콘 zT는 최대에도 0.2정도가 된다.

본 연구의 최대 발견은 극히 간단하고 재현성이 높은 방법으로 벌크상(즉, 어느 정도 크기를 갖는 괴상)의 실리콘 내부에 균일하게 나노크기의 석출물을 창출하는 방법을 발견했다는 점에 있다. 이 석출물이 재료 중에 전기를 전달하는 전자는 산란하지 않고 열을 전달하는 포논(phonon)만을 산람함으로써 열전변환 성능지수 zT의 대폭적 향상을 달성하였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

기계적 응력에 반응하여 전기를 생성하는 압전 물질(Piezoelectric materials)은 연간 13.2%의 속도로 성장할 것으로 추정되는 120억 달러 규모의 글로벌 산업을 차지하고 있다고 혁신 연구 제품이 최근 발표한 보고서에서 밝혔다. 그럼에도 불구하고 널리 사용되고 있는 가장 일반적인 압전 물질 중 하나의 속성은 아직 잘 알려지지 않았다. 이러한 이해의 부족은 결정 구조를 이루고 있는 물질의 복잡한 특성 때문이며, 이는 그것의 물리적 속성에 기인한다.

Nature Communications에 발표된 새로운 연구에서, N. Zhang과 동료는 PZT로 좀 더 잘 알려진 납 지르코늄 티탄산염(lead zirconium titanate) 결정의 구조적 특성을 탐구하였다. 이들 결과물 중에서도 이 결정 물질의 두 다른 영역 간 경계의 발견은 이전부터 그 존재를 예상했지만, 아직 관찰된 적은 없었다. “누락 경계(missing boundary)”의 특성을 이해하는 것은 PZT를 그토록 훌륭한 압전 물질로 만드는 것이 정확히 무엇인지를 이해하고, 그것의 압전 반응을 어떻게 최적화하는지에 대한 통찰력을 제공할 것이다. “PZT가 세라믹 압전으로서 광범위하게 사용되고 있고, 납을 제외한 새로운 압전을 찾기 위한 시도가 있기 때문에, 왜 PZT가 그러한 방식으로 작동하는지를 이해하는 것은 매우 중요하며, 그러한 정보를 여러 곳에 응용할 수 있는 잠재력이 있다”고 영국 옥스포드 대학의 Mike Glazer가 말했다. “따라서 우리는 이러한 이해에서 중요한 역할을 차지할 것으로 생각되는 메커니즘을 입증하였다. 이 연구는 또한 장거리 및 단거리 질서 구성 요소를 가진 이와 같은 물질이 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡한 구조물을 가지고 있다는 것을 지적한다"고 그는 덧붙였다.

이 경계의 특성을 이해하기 위하여, 연구진은 PZT가 가진 배경 일부를 설명했다. PZT는 납 지르콘산염(lead zirconate, PbZrO3)과 납 티탄산(lead titanate, PbTiO3)으로 이루어진 고용체이다. 이것은 페로브스카이트 결정 구조(perovskite crystal structure, ABX3, 여기서 A는 납이고, B는 지르콘산염, 또는 티탄산, 그리고 X는 산소이다.)를 가지고 있으며, 8면체 형성 과정에서 일어난다. PZT의 중요한 특징 중 하나는 A와 B 이온이 분자 구조에서 그들의 주요한 위치로부터 변위될 수 있다는 것이다. 만약 그것들이 모두 같은 일반적인 방향으로 변위한다면, 이 결정은 압전성을 포함한 극성 특성을 보일 수 있다. 지난 60년 동안, PZT 구조에 관한 연구는 높은 수준의 복잡한 구조를 드러냈다. 특히, 연구는 티탄산이 풍부한 영역과 지르코늄이 풍부한 지역이 분리되는 PZT 내 위상 경계의 존재를 드러냈다. PZT의 압전 효과가 그러한 경계 쪽으로 증가한다는 것을 보여주는 수치로 말미암아, 이 두 번째 위상 경계는 이론적으로 그 존재가 예측되었다. 그러나 지르코늄 풍부 영역과 납 원자를 담고 있는 영역 사이에 있다고 예측되는 이 경계는 지금까지 아직 실험적으로 입증되지는 않았다.

현재 연구에서, 과학자들은 누락 경계를 관찰하였고, 그것이 규정하기가 매우 힘들며, 이 경계를 처음에 발생시키는 것이 무엇인지를 설명할 수 있었다. 연구진은 납을 담고 있는 영역이 두 종류의 구조로 이루어져 있다고 설명했다. 한 구조에서, 납 원자는 이동할 만한 충분한 공간을 가지며, 이로 말미암아, 그들은 외부의 기계적 응력에 의해 영향을 받을 공간이 많아진다. 다른 구조에서는, 납 원자가 움직일 충분한 공간을 갖지 못한다. 이 결과물은 첫 번째 유형의 구조가 PZT 내의 압전 반응을 최적화하는 데 매우 바람직함을 나타내며, 왜 압전 반응이 이 경계 근처에서 증가하는지를 설명한다. 이 연구는 두 종류의 구조 사이에서의 중요한 차이를 이해하는 통찰력을 제시한 최초의 결과물이다.

이 결과물이 압전 분야에 큰 영향을 끼칠 수 있으며, 자동차나 센서, 그리고 엑추에이터와 같은 다양한 응용의 가능성을 제시한다. 이 연구의 가장 중요한 영역 중 하나는 납이나 독성 요소를 가지고 있지 않은 새로운 압전 물질을 찾는 것이다. 현재, 일부 납 없는 압전 물질이 같은 성능이나, 또는 납 기반의 압전보다 더 나은 성능을 발휘하고 있지만, 오직 특정한 응용이나 제한된 범위에서만이 가능하다. 압전체의 기원을 이해하는 것은 납 없는 압전체의 응용을 넓히는 데 중요한 발판이 될 것이다. “우리는 PZT에서의 중성자와 X-선 작업을 수행하기 위한 연구를 지속할 것이다. 특히, 우리는 확산 회절 효과(diffuse diffraction effects)라고 불리는 현상을 연구하기 위하여, PZT 단일 결정을 밴쿠버에서 성장시키고 있다. 이는 PZT에 존재하는 장애물(또는 장점이나 단거리 질서)을 관찰하는 데 중요하다. 나는 앞으로 4년 후에 은퇴하지만, 이 연구를 계속할 것”이라고 Glazer가 말했다.

미 육군은 에너지부 산하 국립재생가능에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)와 협력을 맺고 육군 포트폴리오 내 9개의 설비에 대해 에너지 효율을 제고하고, 재생가능 에너지 전략을 최적화함으로써 에너지 안보를 제고하고자 한다.

만약 육군의 9개 순에너지 제로 설비(Army Net Zero Energy Installation, NZEI)가 도입된 파일럿 지역에서 에너지 제로를 구현할 수 있다면 육군 에너지 설비 중 8%를 재생가능 에너지로 대체할 것으로 기대된다. 그리고 NZEI 파일럿 지역에서 한 것처럼 설비가 에너지 소비의 25%를 절감할 수 있다면 육군은 약 20조 BTU의 에너지를 절감하는 효과를 누릴 수 있으며, 연간 에너지 비용은 최대 300 백만 달러까지 절약될 수 있는 것으로 나타났다.

에너지부 산하의 연방에너지관리프로그램(Federal Energy Management Program)은 이번 프로젝트의 실행과 확대를 위해 지원해왔다. NREL의 Sam Booth는 “에너지 제로가 된다는 것은 흥미로운 일이며, 이를 위한 다양한 접근방법이 있다. 예를 들어 Fort Hunter Liggett은 수많은 소규모 프로젝트를 통해 에너지 제로에 도달하려 한다. 반면 Kwajalein는 단 한 개의 대규모 프로젝트를 통해 이러한 에너지 제로 목표를 달성하는 것에 중점을 두고 있다”고 설명하였다. 육군의 시험 운행 지역 중 6개는 오직 순에너지 제로에만 집중하고 있다. 여기에는 Camp Parks Reserve Forces Training Area, Fort Detrick, Fort Hunter Liggett, Kwajalein Atoll, Sierra Army Depot, West Point가 포함되어 있다. 독립적인 에너지 제로 이니셔티브를 위해 자원한 3개의 다른 지역도 있다. Oregon Army National Guard는 오레곤 주에 걸쳐 모든 관련 설비를 포함하는 에너지 제로 이니셔티브를 시범 운영하고 있다. 텍사스 Fort Bliss와 콜로라도 Fort Carson은 에너지 제로, 수자원, 폐기물 등에 대해 통합화된 프로그램을 시범 운영하고 있다.

NREL과 미 육군의 협력을 통해 발견된 사항들은 최근 발표된 보고서인 “Army Net Zero Energy Roadmap and Program Summary”에 잘 설명되어 있다. NZEI는 한 해 동안 사용할 만큼의 에너지를 현장에서 생산하고 있다. NZEI는 에너지 효율, 에너지 회수 및 병합발전 기회를 극대화하여 전체 에너지 사용량을 절감한다. 그리고 재생가능 에너지의 현장 생산을 통해 남은 에너지 수요를 충족하고 있다. NREL은 각 지역의 순에너지 제로 목표 충족과 관련하여 에너지 평가를 실시함으로써 미 육군의 NZEI 파일럿 프로그램을 지원하고 있다. 이러한 평가는 수요를 줄이기 위한 에너지 효율 프로젝트와 남은 에너지 부하를 충족하기 위해 현장 재생가능 에너지 기술을 확인하는데 활용된다. 시스템 기반시설, 상호연결 솔루션, 마이크로그리드(Microgrid)의 가능성 및 재정적 옵션은 평가의 일부이기도 하다. 주요 프로젝트 개발에 고려되어야 할 사항에는 지역과 가용 재생가능 자원, 필요한 허가 형태, 기술적인 성능 목표, 기술 개발 파트너 등이 포함되어 있다.

초기 도입은 같은 목표를 위한 것이라 할지라도 순에너지 제로로 가는 길은 각자 독특한 특성이 있다. 이들은 요구조건, 에너지 비용, 건물 형태, 재생가능 에너지 자원 및 인적 자원 등이 다양하다. 그 결과 각각의 NZEI는 독자적인 벤치마크 및 지역 특성을 고려하고 있다. 예를 들어 Fort Carson의 경우 1950년대의 막사를 현대적인 LEED(Leadership in Energy and Environmental Design) 인증에 맞는 사무실로 변신시켰다. 그 결과 건물외부표면, 조명, 플러그 부하(plug load), 난방, 환기, 공기조절 시스템에 있어 큰 에너지 절감효과를 누렸다. 일부 NZEI는 다양한 크기의 태양발전 어레이를 도입하였거나 도입할 계획이 있다. Camp Parks Reserve Forces Training Area는 2 MW급의 태양광발전 어레이 설비를 조만간 도입할 예정이며, Fort Bliss는 20 MW급의 PV 어레이를 도입하여 전기구매 비용의 15%를 절약하려 한다. 미 육군 차관보실의 Paul Volkman은 “순에너지 제로 전략은 중요한 단계이다. 그리고 이를 위해서는 개발 및 개선을 지속하면서 전략을 실행하려는 지속가능한 노력이 필요하다”고 말했다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

의도하지 않은 어린이의 배터리 흡입(battery ingestion) 및 이와 관련된 사망률과 유병률은 매년 수 천 건에 이르는 응급실 방문 결과를 낳고 있다. 흡입 수 시간 이내에 심각한 전기화학적 화상(electrochemical burns)을 입을 위험이 있기 때문에, 식도에서 배터리 처리에 대한 현재의 치료 기준은 신속한 내시경 제거(endoscopic removal)이다.

현재 안전 기준은 의도하지 않은 배터리 흡입에서 보통 수준의 감소를 얻을 수 있는 장난감에서 배터리 부분을 잠그도록 규제하는 것이다. 법규 이외에, 최소 기술 개발은 손상을 제한하기 위하여 배터리 수준에서 수행됐다. 미국 연구진은 상업적으로 이용할 수 있는 양자 터널링 복합재료를 이용하기 위하여 방수의 압력에 민감한 코팅을 구축했다.

새로운 배터리 코팅(battery coating) 방법이 시계와 같은 장치에 동력을 제공하는데 사용되는 작은 원반형 배터리인 소위 버튼 배터리(button battery)의 돌발적인 흡입으로 인한 화상을 예방하는데 도움을 줄 전망이다.

2013년 3,300명 이상이 버튼 배터리를 삼켰으며, 이중 2,200명은 6세 이하의 어린이라고 국립 독성 자료 시스템(NPDS; National Poison Data System)은 밝혔다. 결과는 건강 효과가 없는 경우에서 사망에 이르기까지의 다양한 범위를 나타냈다.

버튼 배터리는 조직에서 물을 분해하는 전류가 배출될 때, 조직에 화학적인 화상을 입히게 하는 수산화물 이온(hydroxide ion)이 생성되면 손상이 발생한다. 광범위한 조직 손상은 배터리가 식도를 막을 경우 발생할 수 있다.

가장 심각한 원인과 관련이 있는 배터리는 20 mm 직경의 3-V 리튬 전지라고 NPDS 소속의 배터리 상해 전문가인 Toby L. Litovitz는 밝혔다. 리튬 코인 전지를 삼킨 8명 중 1 명의 어린이가 심각하게 생명을 위협받거나 치사 합병증(lethal complication)으로 발달할 수 있다고 Litovitz는 밝혔다.

새로운 코팅은 배터리가 전류의 배출을 차단하게 함으로써 상기에 언급한 피해를 예방할 수 있다. 코팅을 수행하기 위하여, MIT(Massachusetts Institute of Technology) 소속의 Robert S. Langer와 하버드 의과대학(Harvard Medical School) 소속의 Jeffrey M. Karp 및 동료 연구진은 양자 터널링 복합재료(QTC; quantum tunneling composite)라고 불리는 기성제품의 재료를 사용했다. QTC는 절연성 실리콘 기질에 전도성 금속 마이크로입자가 부유되어 있는 재료이다.

전류는 전하가 나노입자 사이를 뛰어 넘기 충분히 가까운 마이크로입자를 밀어올리기 위하여 배터리 구획으로부터 충분한 압력이 가해질 때만 흐른다. 필요한 압력은 기질의 단단함을 조정함으로써 변화될 수 있다.

연구진은 11.6-mm, 1.5-V 버튼 배터리의 양극에 QTC 디스크를 부착했다. 연구진은 양극과 방수 고분자 층을 가지는 음극 사이에 양극의 나머지 부분과 개스킷(gasket, 가스 및 기름 등이 새어나오지 않도록 파이프나 엔진 등의 사이에 끼우는 마개)을 덮었다. 결과적으로 얻어진 QTC-코팅된 배터리(QTC-coated battery)는 상용 배터리만큼 효과적으로 레이저 포인터에 동력을 공급할 수 있었다.

동물 연구에서, QTC-코팅된 배터리는 조직 손상을 유발하지 않았다.

Litovitz는 연구진이 수정 과정을 거쳐 이러한 문제를 해결하는 최적의 방안을 구축했으며, 이를 통하여 안전한 배터리를 구현했다고 밝혔다. 그러나 그녀는 MIT 연구팀이 사용했던 배터리의 유형을 포함한 기술을 수행하는 데 몇 가지 장애가 있었다고 지적했다. 연구팀이 1.5-V 전지로부터 수집한 자료가 3-V 전지에도 추론될 수 있을 것으로 희망하는 한편, 이러한 추론의 증명이 숙제로 남아 있다고 Litovitz는 밝혔다. 또 그녀는 이러한 얇은 배터리에 밀리미터를 추가하는 것이 적용을 방해할 수 있는 제품의 재디자인을 필요로 한다는 점을 지적했다. 부가적으로 이러한 코팅 기술의 성공은 장소에서 배터리를 보유하기 위하여 필요한 압력과 식도에서 경험했던 압력 사이에 상당한 차이에 의존한다. 보다 더 큰 코인 배터리를 이용하여, 압력 차이(pressure difference)는 연구진이 보다 더 작은 배터리를 추정했을 때보다 더 커지지는 않을 것이라고 그녀는 밝혔다.

그럼에도 불구하고, Langer와 Karp는 이러한 기술이 낙관적이라고 밝혔다. 배터리가 의료 장치가 아니기 때문에, 연구진은 임상 시험이 필요하지 않을 것이라고 생각했다. 연구팀은 QTC-코팅된 배터리를 제조하기 위한 파트너를 찾을 예정이다. 연구진은 제조 관행과 양립할 수 있게 만들기 위하여 코팅 조성 또는 두께를 변화시킬 필요가 있다고 Karp는 밝혔다. 연구진이 비용이 문제가 될 것으로 생각지는 않는다고 그는 덧붙였다. 연구진이 시스템에 코팅을 추가하는 것이 달러 단위가 아닌 센트 단위의 비용이 소요될 것으로 전망하고 있다고 Karp는 밝혔다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

호주 전력 시장에서 에너지 저장(Energy Storage)은 재무적인 면에서 이미 타당성을 확보하였으며, 배터리를 이용한 에너지 저장은 비즈니스 관계자나 네트워크 운영사뿐만 아니라 주택 보유자들에게도 머지 않아 매력적인 수단이 될 것으로 보인다. 컨설팅 회사인 Verdant Vision의 Andrew Simpson은 배터리 저장이 오프그리드(Off-Grid) 활용에 있어 바로 생각할 수 있는 비교적 쉬운 선택이라고 말한다.

호주 퀸즈랜드 전력공급 회사인 Ergon Energy는 확대되고 있는 지역 네트워크에 20대의 100kWh급 배터리 저장 설비를 도입하는 결정을 최근 내렸다. 이와 같이 네트워크 운영사들은 유틸리티 단위에서 에너지 저장 기술을 전략적으로 활용하는 것에 대해 타당하다고 생각하고 있다. Ergon사는 보조금을 받지 않은 배터리 저장 시스템이라도 네트워크 설비를 업그레이드하는 것 보다 저장 기술을 도입하는 것이 경제적이라 밝혔다. 이들은 향후 몇 년간 수 백 건에 달하는 에너지 저장 시스템을 도입할 것으로 보인다.

Simpson은 배터리 저장이 비즈니스 관계자들에게도 경제성 면에서 타당하고 말한다. 이와 같은 일은 전기세에 영향을 주는 부분이 얼마나 많은 전기를 사용하느냐보다는 최대 수요의 단위에 따라 결정되는 수요전력요금(Demand Charges)에 더 많은 영향을 받는 사람들에게 더욱 필요하다. Simpson은 배터리 저장은 수요 피크를 절감하는데 도움을 줄 수 있으며, 비즈니스 관련자들은 이러한 기회에 눈을 뜨고 있다고 설명하였다. 그는 대규모 태양발전 어레이(Array)를 운영하는 물류 운영사에 대한 사례를 들었다. 이들은 태양발전을 통한 전기생산이 에너지 비용 절감에 도움이 된다는 것을 알고 있지만 수요전력요금에 대한 것은 아니었다. 그 대신 배터리는 과잉으로 생산되는 태양에너지를 저장하였다가 피크 수요를 줄이는데 도움을 줄 수 있다. 그는 "비즈니스 관련 고객들은 저장 기술을 도입하더라도 빠르게 투자금을 회수할 수 있다는 것을 알게 되었다"고 설명하였다.

이번 주에 열린 노던리버에너지 포럼(Northern Rivers Energy Forum)을 통해 Simpson은 수요전력요금을 줄이는데 어떻게 저장기술을 활용할 수 있는지를 보여주었다. 만약 에너지 저장이 고객들에게 kWh당 70센트의 가치를 줄 수 있다면 이러한 경제성을 충족할 수 있는 수많은 배터리 저장 관련 옵션이 있다. 주택에 적용할 일부 고객들은 배터리 저장기술이 적용 가능한 범위 내에 있다는 것을 알게 되었다. 현재의 요금 체계는 주택 보유자들에게 자가 소비를 권장하고 있으며, 이와 관련하여 배터리 저장 추가도 필요하다. Simpson의 계산에 따르면 태양발전과 저장기술을 결합하는 것은 최소 kWh당 35c의 균등화된 비용을 확보할 수 있다. 이는 호주 내 많은 지역의 그리드 요금 체계와 동등한 수준이다. 이와 사실은 2016년말까지 호주 뉴사우스 웨일즈 지역에 kWh당 66센트의 보너스를 잃어버릴 수 있고, 전기 소매업자로부터 kWh당 6센트를 만족하는 것 대신에 태양발전 시스템을 통해 가치를 극대화하는 방안을 모색하는 약 160,000가구에게 특히 관심의 대상이라 할 수 있다.

물론 증가하고 있는 배터리 저장 기술의 적용은 현재 유틸리티 회사들에게 큰 이슈를 만들고 있다. 이는 네트워크 및 다른 비용에 있어 피할 수 없는 상승이 예상되기 때문이다. Simpson은 "에너지 저장 기술의 출현으로 유틸리티 회사들에게 딜레마에 빠지고 있다. 현재 진행되고 있는 방향은 사람들이 그리드로부터 탈피하는 것이다. 따라서 유틸리티 회사들은 이와 같은 이슈를 최우선 해결문제로 놓고 고객들이 그리드에 머무를 수 있도록 하는 계획을 수립하는 것이 필요하다. 이와 같은 계획이 요금 개정을 통해서 이루어지든 아니든 간에 기존과는 다른 방향으로 비즈니스 모델을 수립해야 할 것"이라고 말한다.

Simpson이 제안하는 하나의 옵션은 주택 지역에 마이크로 그리드를 구축하는 일이다. 여기서 네트워크는 저장 장치를 중심으로 재구조화되며, 타당성이 있을 때만 도매시장을 통해 거래가 이루어진다. 이와 같은 방법은 네트워크 업그레이드를 줄여 비용을 절감할 수 있기 때문에 모든 사람들이 윈-윈할 수 있는 방안이라 할 수 있다. 예를 들어, 은퇴자 마을은 이러한 일을 수행하기에 최적의 장소일 것이다. 그러나 이러한 콘셉트를 소도시 단위에 적용한다고 문제될 것은 없어 보인다. Simpson은 리튬이온 배터리의 실제가격이 어떤 영향을 주는지를 보여주었다. 하나의 예일 수 있지만 배터리 도입 비용은 전체 비용 중 일부만을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 그리고 자산 수명, 사이클, 효율 및 자본비 등은 중요한 지표로 사용되고 있었다.

Simpson은 테슬라의 기가팩토리가 배터리 저장 비용을 크게 절감시킬 것이라는 일반적인 생각을 믿지 않는다. 이는 전기자동차에 사용되는 배터리가 가정에 사용하기에는 완전히 다르기 때문이다. 테슬라는 파나소닉과의 거래로 이미 호의적인 배터리 가격을 확보하고 있다. 그리고 테슬라에게 배터리 가격이 kWh당 150 달러까지 하락하는 것이 고정식 시장으로 바로 이어지지는 않을 것으로 보인다. 그러나 언젠가는 도움이 될 것으로 예상된다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

`레쓰 이즈 모어(Less is more)`는 저명한 건축가인 미스 반데로(Mies Van de los)라는 유명한 건축가가 말한 글이며 이런 `간결한 것이 더 아름답다`는 설계 이념은 형식이 간단함을 주장하고 과도한 화려함을 반대하는 것이며 간단한 물건일수록 사람들에게 더욱 많은 즐거움을 가져다 주고 있음을 의미한다. 이런 설계 이념이 재료 과학 분야에서 참고적 가치가 있을까?

최근 중국과학기술대학 슝위제(熊宇杰) 교수 연구팀은 관련 연구를 통해 `간결한 것이 아름답다`는 설계 이념을 이용하여 전기 촉매(Electrocatalytic) 수소 방출(Hydrogen evolution) 재료 디자인(Materials Design) 연구 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 `독일 응용화학 학술지`에 발표되었다.

수소 에너지는 매우 높은 에너지 밀도와 극히 낮은 환경 오염 특징을 보유하고 있기 때문에 청정 에너지 이용 및 개발 분야에서 극히 중요한 역할을 발휘한다. 전기 촉매 수소 방출 반응은 금속 전극 표면 수소 방출의 음극 부식 과정으로서 가역적 수소 연료 전지 속에서 수소를 생성시키는 중요한 과정에 속한다.

금속 백금(Platinum)은 전기 촉매 수소 방출 반응 과정에서 촉매 활성이 제일 높은 금속 재료에 속한다. 하지만 높은 원가 때문에 과학자들은 줄곧 백금 사용량을 줄일 수 있는 방법에 대한 탐색을 실행해 왔다. 지금까지 과학기술계와 산업계는 아직 백금 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 높은 전기 촉매 활성을 보유한 기술을 개발하지 못한 상황이다.

이런 상황에 근거하여 중국과학기술대학 슝위제(熊宇杰) 교수 연구팀은 관련 연구를 실행하는 과정에서 일종 백금(Platinum)-팔라듐(Palladium)-그래핀(Graphene) 적층 복합 구조(Laminated composite structures)를 디자인한 동시에 백금 층 두께에 대한 정밀 제어 합성 방법을 개발하여 여러 가지 백금 층 두께에 대한 제어 가능한 복합 구조를 개발하는데 성공하였다.

연구팀이 개발한 다양한 복합 구조는 전기 촉매 수소 방출 반응 과정에서 조정 변화 가능한 성능을 나타냈으며 백금 층 두께를 4개 원자 층 범위 내로 제어할 때 성능의 최고치에 달하는 것으로 나타났으며 -300mV 전압 하에서의 전류 밀도는 791mA㎠에 달하고 타펠 경사(Tafel slope)가 10mV decade-1 수준에 달하여 기존의 상용화 백금 탄소 전극 재료를 대폭 초월한 것으로 나타났다.

중국과학기술대학 장쥔(張俊) 교수 연구팀은 이론 시뮬레이션 방법을 이용하여 금속 백금과 팔라듐 인터페이스에 대한 연구를 실행하였으며 이런 두 가지 금속 일 함수(Metal work function)의 차이는 금속 백금 표면에서 극화 역할을 생성시켜 표면 집중 음 전하에서 수소 방출 반응의 발생을 추진하게 된다는 점을 발견하였다.

연구팀은 사이즈 의존성에 대한 연구를 실행하여 극화 역할이 백금 층 두께의 증가에 따라 약화되기 때문에 실험 상에 백금 층 두께 제어 수단으로 전기 촉매 수소 방출 성능을 조정한다는 점을 입증하였다. 이번 연구는 금속 백금 사용량을 감소시키는 동시에 전기 촉매 수소 방출 활성을 최대한 향상시키고 원가가 저렴하고 성능이 높은 전기 촉매 재료 개발을 위해 중요한 기술 기반을 구축하였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 취득한 연구 성과는 복합 구조 재료 중의 전하 극화 행위 및 메커니즘에 대한 이해를 깊이 할 수 있도록 하였으며 복합 구조 전기 촉매제에 대한 합리적인 디자인을 추진하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.

이번 연구는 국가과학기술부의 `중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)` 비용, 국가자연과학기금위원회의 `기초과학 연구 프로젝트` 비용, `국가 청년 천인계획(千人計劃) 프로그램` 비용 및 중국과학원의 `백인계획(百人計劃) 프로그램` 비용 지원을 받아 추진되었다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』