Mike Arnold가 태양 에너지에 관한 구성을 떠올렸을 때, 그는 지구를 지속해서 비추는 수십, 수백, 수억 와트 이상의 큰 그림을 떠올렸다. 그는 또한 10억 분의 1미터 두께의 탄소를 기반으로 한 나노물질이 태양 전지를 이용하면, 전기를 생성하는 비용을 극적으로 줄일 수 있지 않으냐는 생각을 하게 되었다. 메디슨 위스콘신 대학(UW) 재료 과학 및 공학부 조교수인 Arnold는 광발전(photovoltaic, PV) 태양 전지나, 에너지 저장, 그리고 반도체 전자 등과 같은 첨단 전자 물질 연구에 중점을 둔 연구를 하고 있다. PV 에너지의 비용을 낮출 수 있는 물질을 개발하는 것이 연구진의 열정이자, 목표이다. “우리 모두 태양 에너지의 긍정적인 면을 잘 알고 있다. 풍부한 햇빛과 더불어, 오염물을 배출하지 않으면서도, 구동 부품이 필요 없고, 소음이 없으며, 더욱이 쉬운 수송까지 태양 에너지는 많은 장점을 지니고 있다. 그럼에도 불구하고, 사람들은 아마 석탄 발전소는 여전히 있음에도, 왜 태양 전지 패널은 각 가정의 지붕에 설치되어 있지 않은가에 대한 의문을 품을 것이다. 답은 당연히 ‘비용’이다. 비록 태양 에너지의 생산 비용이 지난 몇십 년간 꾸준히 떨어졌지만, 아직도 광전지 에너지가 경제적으로 경쟁 가능한 시점에는 도달하지 못했다”고 Arnold가 설명했다.

광전지 에너지는 광자(또는 태양으로부터 오는 빛의 다발)가 거의 9천3백만 마일의 속도로 지구로 이동하면서, 태양 전지와 부딪힐 때 만들어진다. 태양 전지 내의 반도체 물질이 햇빛을 흡수할 때, 전하가 생성된다. 그리고 태양 전지는 전하를 분리하여, 그것의 포지티브 성분은 태양 전지의 한쪽으로 가고, 그것의 네거티브 성분은 다른 쪽으로 가서, 전류를 생성한다. 이러한 태양 전지는 모듈로 분류되고, 이러한 모듈은 우리가 지붕이나 태양 필드에 흔히 볼 수 있는 패널로 분류되는 것이다. “실리콘 태양 전지의 25% 효율성은 꽤 훌륭한 것이다. 원자재로서의 실리콘 가격과 그것의 공정 비용은 PV의 가격을 쉽게 내리지 못하는 이유이기도 하다. 우리에게 필요한 것은 같은 효율성을 지니면서도, 가격이 훨씬 저렴한 전지를 만드는 것”이라고 Arnold가 말했다.

박막 태양 전지와 같이 일부 “제2세대”를 대체하는 PV 물질은 산업체에 의해 연구되고, 심지어 상용화되었다. 그러나 태양 에너지 가격은 이러한 기술에도 불구하고, 여전히 높다. 대부분 PV 연구에서 집중하는 것은 Arnold의 실험실에서 연구하는 것과 같은 “제3세대” 나노물질이다. “나노, Nano”는 이러한 물질의 매우 작은 크기를 의미하며, 나노미터는 10억 분의 1미터이다. Arnold의 접근 방법은 매우 저렴한 물질로 시작했다. 원칙적으로, 이것은 태양 전지로 만들어질 수 있기 때문에, 연구진은 이들이 작동하는 방법을 고안해야 한다. 현재, Arnold의 연구진은 그래핀과 탄소 나노튜브라고 불리는 탄소 기반의 나노물질에 집중하고 있다. 이러한 나노물질은 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD)이라는 과정을 이용하여, 실험실에서 합성될 수 있으며, 이를 통하여, 탄화수소(메탄(CH4)와 에틸렌(C2H4)같은 가스)은 순수한 탄소로 전환된다.

그래핀 제조에서, 탄화수소는 편평한 기판 상에서 서로 반응하여, 부산물로 수소가스(H2)를 발하고, 기판 위에 그래핀(순수한 C)을 형성한다. 이러한 방식으로, 대형 기판은 지속해서 원자적으로 얇은 그래핀 판으로 코팅된다. 탄소 나노튜브를 생성하기 위하여, 탄화수소 반응은 편평한 기판보다는 실린더를 형성하는 구형의 나노입자 끝에서 일어난다. 결국에는 분자로 전혀 구성되지 않고, 오직 단일 원자 층으로 구축되는 나노물질이 탄생한다. “이들 물질은 당신이 상상할 수 있는 만큼 매우 얇으며, 어떠한 것도 이보다 얇게 만들 수는 없을 것이다. 과학계가 종종 이들 물질을 “2D”라고 일컫는 것을 우리는 쉽게 이해할 수 있다”고 Arnold가 설명했다. “우리가 이 단일 원자층을 그래핀과 탄소 나노튜브에 적용했을 때, 우리는 그것들이 이제껏 발견했던 것보다 훨씬 더 훌륭한 전기 도체 중 일부이며, 그들이 가진 전기적 속성이 훨씬 제어하기 쉽다는 것을 발견했다. 그들은 강력한 빛 흡수체이며, 상대적 안정성과 합성의 용이성, 그리고 저렴하다는 장점을 지니고 있다. 또한, 탄소는 매우 풍부하다”고 그는 말했다.

Arnold의 연구진은 현재 그래핀 판과 탄소 나노튜브 모두를 태양 전지에 사용하는 방안을 연구 중이다. 하나의 프로젝트를 든다면, 연구진은 다양한 지름을 가지고, 다양한 파장의 빛을 흡수하는 탄소 나노튜브를 만들고 있다. 태양 전지에서, 이들의 여러 넓이는 전체적인 빛 흡수를 강화하는 데 도움을 줄 것이다. “우리는 무지개의 모든 색깔뿐 아니라, 우리가 볼 수 없는 스펙트럼의 색들, 그리고 나노튜브의 지름을 다양화시킴으로써, 잠재적으로 좀 더 많은 빛을 활용하고자 한다”고 Arnold가 설명한다. Arnold는 탄소 기반 나노물질의 잠재력을 활용할 방안을 연구하고 있다. 연구진은 태양의 엄청난 힘을 저렴한 비용으로 활용하고, 그것을 태양 에너지로 변환하는 연구에 몰두할 계획이다. “우리는 그들의 속성을 이해하기 위해 노력하고 있으며, 수많은 방법으로, 실제 태양 전지를 활용하고자 한다. 우리는 이러한 연구가 모든 가정의 지붕에 태양 전지 패널을 볼 수 있는 날을 앞당길 수 있으리라 희망한다”고 그는 말했다. 

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

메릴랜드 대학(University of Maryland)의 한 연구진은 에너지 저장의 궁극적인 소형화를 위해 나노규모의 배터리 개념을 도출하였다. 연구진은 이미 초기 설계와 관련한 작동 모델을 수립하였으며, 대규모 배치를 통해 제품을 생산하기 위해 보다 개선된 버전을 개발 중에 있다. 현재 이 장치는 테스트 중에 있지만 좋은 성능을 보여주었다. 연구논문의 저자이자 메릴대학 대학원생인 Chanyuan Liu는 12분 내에 완전히 충전할 수 있었으며 수 천 번 재충전할 수 있었다고 밝혔다.

메릴랜드 대학이 개발한 나노배터리는 동일한 집합체를 구성하고 있는 나노기공이 세라믹 표면에 찍혀있는 형태이다. 각각의 기공은 전이금속인 루테늄(Ruthenium)과 산화바나듐(Vanadium Oxide)으로 제조된 양극 및 음극 그리고 전해질을 이용하는 완전한 초소형 배터리 역할을 수행하게 된다. 각각 기공이 가진 에너지 저장능력으로는 실용적 활용이 어렵겠지만 이들이 유용한 규모로 확대된다면 에너지 저장이 가능해진다. 즉 10억 개의 기공이 우표 크기의 와이퍼(Wafer)에 들어간다고 생각하면 좋을 것이다.

연구진이 개발한 장치가 성공적인 결과를 가져왔다고 생각하는 이유 중 하나는 각각의 기공이 다른 기공과 같은 모양이라는 점이다. 이는 소형 박막 배터리를 효율적으로 패킹(Packing)할 수 있다는 장점이 있다. 공동 논문저자인 Eleanor Gillette의 모델링에 따르면 이러한 나노기공 배터리의 독특한 구조로 좋은 결과를 얻은 것으로 나타났다. 연구진은 도출한 개념에 대한 실증테스트를 하였으며, 개선을 통해 다음 버전에는 10배나 더 강력하게 만들 수 있다는 것을 확인하였다. 이제 새로운 나노배터리의 다음 단계는 상업화이다. 연구진은 대규모 배치를 통해 배터리를 제조하기 위한 전략에 대해 고민하였다.

나노기공 배터리(Nanopore Battery)의 핵심은 은색의 전이금속 바나듐 혼합물이기도 하다. 바나듐은 금속 합금 활용에서 있어 최적인 것으로 알려졌지만 최근 많은 청정기술 활용분야에서 사용되고 있다. 특히 에너지 저장 및 차세대 전기자동차(Electric Vehicle) 충전 분야의 활용도가 높다. 이에 따라 바나듐은 청정기술 산업 성장에 중요한 물질이 되었다. 그러나 바나듐을 어디서 확보할 수 있는가는 어려운 문제이기도 하다. 최근까지도 미국 내에는 바나듐을 채굴하는 광산이 없었다. 캐나다 회사인 American Vanadium사는 네바다 주에 바나듐 광산을 개발하고 있으며, 또 다른 회사인 Imergy사도 광미(Mine Tailings) 및 다른 폐기물 자원으로부터 고품질 바나듐을 추출하는 방법을 확보하였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

VTT 핀란드 기술연구센터(VTT Technical Research Centre of Finland)의 연구진은 전기 에너지(Electrical Energy)를 생산할 수 있는 새로운 기술을 선보였다. 이 기술은 주변에서 발생하는 기계적 진동으로부터 에너지를 수집한 후 이를 다시 전기에너지로 변환하고 있다.

예를 들어 이러한 에너지 수집장치는 무선 자가동력 센서(Wireless Self-powered Sensors)나 의학 임플란트(Medical Implant) 제품에 활용될 수 있다. 이와 같은 장치들은 시간이 지남에 따라 새로운 배터리로 교체해야 한다는 단점이 있다. 미래에는 에너지 수집장치가 웨어러블(Wearable) 전자장치와 같은 활용 분야에서 새로운 기회를 제공할 것으로 기대된다.

VTT의 연구진은 서로 다른 일함수(Work Functions)를 이용하는 두 개의 물체 사이에 자연적으로 발생하는 충전 현상(Charging Phenomenon)을 활용함으로써 성공적으로 전기를 생산할 수 있었다. 여기서 일함수는 고체에서 전자를 제거하기 위해 필요한 에너지의 양을 의미하며, 이는 잘 알려진 광전효과(Photoelectric Effect)를 결정한다.

서로 다른 일함수를 가진 두 개의 전도 물체가 서로 전기적으로 연결되어 있을 때 이들은 다른 전하를 축적한다. 이들 물질이 서로에 대해 움직이면 에너지가 생성되는데, 이는 다른 전하 사이에 발생하는 정전흡입력(Attractive Electrostatic Force) 때문이다. VTT의 실험에서는 이러한 기계적 움직임을 통해 에너지를 생산하였으며, 이들 물체들에 외부 회로를 연결함으로써 유용한 전기로 변환할 수 있었다. 이 새로운 에너지 변환 기술은 반도체를 이용하여서도 활용 가능하다.

센서와 관련한 많은 응용 분야 및 심장박동기와 같은 의학적 임플란트는 배터리를 이용하여 전기를 제공한다. 그리고 기계적인 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소형 에너지 수집장치와 관련한 연구의 대부분은 압전(Piezoelectric)이나 정전기(Electrostatic) 장치에 집중하고 있다. 그러나 VTT의 기술은 이러한 장치와는 다르게 통합된 배터리, 일렉트릿나 압전물질을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.

VTT는 새로운 전기생산 기술이 향후 3~6년 이내에 산업 규모로 적용할 수 있을 것이라 예측하고 있다. 에너지 수집 장치와 새로운 센서 관련 솔루션은 가까운 미래의 메가트렌드가 될 것으로 예상되고 있다. 에너지 수집장치는 장치 유지가 어렵거나 불가능한 다양한 분야에서 배터리 및 다른 에너지원을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 Scientific Reports 온라인 저널에 발표되었다.               

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

- 일본, 태양광 발전 사업용 이바라키(Ibaraki, 茨城) 현 가시마(Kashima, 茨城)시에 사이트가 되는 태양광 발전소 준공 -

주식회사 NTT Facilities(이하, NTT)는 일본 정부가 추진하는 자연 에너지의 보급?확대나 사회 전체의 환경 부하 저감으로의 공헌 및 태양광 발전에 관한 폭넓은 노하우 획득?축적을 목적으로 발전 사업을 전개하고 있는 있지만 이번에 이바라키 현 가시마시에 35개소째의 태양광 발전 사업용 사이트가 되는 `F가시마 태양광 발전소`를 건설하여 2014년 11월 7일에 준공식을 실시하였다.

F가시마 태양광 발전소의 개요를 살펴보면 설치용량은 4,779 kW를 상정하고 있고 연간 발전량은 약 5,300 MWh으로 일반 가정 소비 전력량 약 1,500세대분이라고 한다.

F카시마 태양광 발전소의 기술적 특징으로는 태양광 전지 어레이용 FRP 발판으로 본 발판은 AGC 마텍스 주식회사와 공동 개발을 실시한 제품으로 경량이면서 고내구성 그리고 형상 자유도가 높은 FRP(유리 섬유 강화 플라스틱)를 이용하여 태양광 패널을 지지하는 발판이라고 한다. 이 발판은 2014년 굿 디자인상을 수상하여 서까래에 요철부를 설계한 독자적인 단면 형상으로 태양광 패널의 위치 결정을 용이하게 하여 발판 상부에서 하부로 슬라이드시켜 발판에 고정할 수 있기 때문에 시공 시 작업 효율 향상을 실현한다.

또한 염분이 많은 해안가나 고온 다습 지역, 다설 지역의 제설재 등에 의한 부식에 대해서 뛰어난 내구성을 기대할 수 있어 세계 각지에서 태양광 발전 시스템이 구축 가능하게 된다. 제작 과정의 수지 재료에 안료를 혼합하는 것으로 여러 가지 컬러 종류의 발판 제조를 실현하여 입지와 이용 목적에 맞추어 최적인 색조의 발판을 제공하는 것이 가능하다고 한다.

또 다른 특징은 스트링의 최고 직류 전압을 1,000V까지 높인 태양광 발전 시스템으로 고전압화에 의해 기존 DC600V 시스템(최고 전압 600 V)에 비해 스트링수를 최대 40% 삭감할 수 있다. 또한 PCS의 대용량화도 실시하여 예를 들면 2 MW의 발전 사이트에서는 PCS, PCS 패키지(주 4)를 각각 1대 삭감할 수 있다. 이것에 의해 구축 코스트의 새로운 저감을 가능하게 하고 있다.

그리고 고전압화에 의해 직류 배선 손실의 저감 및 PCS 변환 효율의 향상도 실현할 수 있어 일반적으로는 70% 정도인 시스템 종합 효율을 최고 90%까지 높이는 것이 가능하게 된다.

NTT 독자적인 발전 진단 시스템의 도입에 의해 발견하기 어려운 고장이나 불편한 점 등 발전량을 진단할 수 있다. 구체적으로는 진단 리포트에 의한 발전 성능의 가시화가 가능한 것, 원격 자동 진단에 의해 유지 관리 가동을 삭감할 수 있는 것을 들 수 있다. 그리고 스트링, 접속 상자, PCS(파워 컨디셔너) 단위 등 시스템에 따라 미세한 발전 진단의 비교 평가도 가능하다고 한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

광전지: 새로운 전해질이 염료-감응형 태양 전지(Dye-sensitized solar cells (DSCs))가 높은 온도에서 작동하게 해준다.

염료-감응형 태양 전지가 저렴하고 만들기 쉬운 광전지로 이끌어 줄 수 있을 것이다. 그러나 그것들은 한 가지 큰 단점이 있다: 그것들은 높은 온도에서 아주 잘 작동하지 않는데, 이것은 태양빛을 흡수하도록 고안된 장치를 위해서 문제가 될 수 있다. 이제, 한 그룹의 연구자들이 액체 결정들을 그 장치에 통합시켜서, 그러한 태양 전지들을 위해서 보고된 가장 높은 작동 온도인 섭씨 120도까지 작동하는 버전을 만들었다(Chem. Mater. 2014, DOI: 10.1021/cm503090z).

Gratzel 전지로도 알려진, DSCs는 전해질에 의해서 분리된 양극과 음극으로 이루어진다. 양극은 태양빛을 흡수하고 전자를 방출하는 염료로 코팅된 이산화티타늄(titanium dioxide)의 입자들을 가진다. 전해질에 있는 요오드화 이온들이 음극으로부터 전자들을 다시 양극으로 수송해서, 전기 포텐셜을 만드는 것을 돕는다.

초기 DSCs에서, 전해질들은 요오드화 이온들을 포함하는 유기 용매들로 이루어졌다. 불행하게도, 액체는 새고 높은 온도에서 증발하는 경향이 있다. 더 최근의 DSCs는 중합체들과 같은 비휘발성 전해질을 이용하지만, 이들 장치들은 태양빛을 전력으로 바꾸는데 효율적이지 않다. 높은 전도성과 낮은 증발성을 가지는 이온성 액체들은 전망 있는 전해질이지만, 높은 온도에서 불안정하게 된다.

그래서, 도쿄대(University of Tokyo)의 Takashi Kato와 그의 동료들은 액체 결정을 형성하는 탄산염-기반의 분자와 요오드를 기반으로 하는 이온성 액체를 통합함으로써 보다 안정적인 전해질을 만들기로 결정했다. 그 액체 결정은 층을 이루는 나노구조들로 자가조립해서, 그 연궂들이 이온들을 효율적으로 수송하는 전해질에서의 채널을 고안할 수 있게 해주었다. 디스플레이에서 사용되는 액체 결정들과는 달리, 이것들은 전압에 반응해서 그들의 배향을 바꾸도록 고안되지 않았다. 액체 결정들이 높은 온도에서 안정하게 남기 때문에, 그 조합 전해질도 또한 사용가능하다.

그 태양 전지들은 섭씨 90도에서 수집된 빛의 2.7퍼센트를 전기로 바꿨다. 표준적인 염료-감응형 전지들은 상온에서 11에서 12퍼센트 효율적이지만, 50도 이상에서 그들의 성능은 떨어진다. 국제적인 표준은 태양 전지를 섭씨 85도에서 시험할 것을 요구한다. Kato는 그의 전지들의 효율성은 8~10퍼센트로 늘리기를 바라고 있는데, 이것은 그것들을 상업적으로 실행가능하게 만들기에 충분할 것이다.

그는 성능을 늘리는 것을 시도하기 위해서 그 전해질에서 물질들의 다른 조합을 시험할 계획이다. 액체 결정들이 조직된 후에, 그 전해질을 중합화하여 최적의 나노구조를 고정시키는 것도 가능할 것이라고 그는 말했다. 그러한 고체-상태 전해질은 유출의 문제가 없을 것이고, 보다 유연한 태양 전지를 가능하게 해줄 것이라고 그는 설명했다.

산디아국립연구소(Sandia National Laboratories)의 Erik Spoerke는 그 장치가 아마도 섭씨 120도에서 정상적으로 작동하지 알을 것이지만, “더 높은 온도 안정성은 그 장치가 더 합리적인 작동 온도에서 기능저하에 덜 취약할 것이라는 것을 의미한다”고 말했다. 스위스에 있는 바젤대(University of Basel)의 화학자인 Edwin C. Constable은 그 새로운 전해질이 “DSCs의 성능을 더 향상시킨 위한 새로운 길들을 열어준다”고 말했다. 바젤대에 있는 Catherine E. Housecroft도 “이온 수송을 위한 기질을 제공하기 위해서 액체 결정을 사용하는 것은 정말로 흥미로운 개발이고 DSD 공동체가 널리 관심을 가질 것”이라고 말했다.

그림. 염료-감응형 태양 전지(왼쪽)는 불소 도핑된 주석 산화물(fluoride-doped tin oxide (FTO)) 유리의 두 판들로 이루어지는데, 하나는 티타늄이산화물(titanium dioxide)와 양극으로서 기능하는 염료 나노입자들로 코팅되었고, 다른 하나는 음극을 위해서 백금으로 코팅되었다. 나노구조를 가진 액체-결정(LC) 전해질(가운데)는 그 전극들 사이에 놓인다. LC 분자들은 조립되어서 양극과 음극 사이에 효율적인 이온 전송을 위한 채널을 만든다(오른쪽)  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

도쿄 농공대학 대학원 공학 연구원 생명 기능 과학 부문의 연구팀은 분자의 집합 거동을 정밀하게 제어함으로써 "수소 이온이 고속으로 이동할 수 있는 입체적·연속적인 경로"를 만들어 내는 연구를 실시하고 있다.

3차원의 주기적인 면 구조이기 때문에, 결함이나 단절 부분을 우회해 이동할 수 있으므로, 전해질 내의 전기 저항의 저감을 기대할 수 있어 장기적으로는 기존의 연료 전지 전해질에 대체할 수 있는 재료로서 기대된다.

자동차나 휴대 전자 기기 등에 응용에 주목을 받고 있는 고체 고분자형 연료 전지(PEFC)에서 발전 능력을 좌우하는 중요한 핵심은 전해질의 성능이다. 현재 퍼플루오로술폰산 폴리머계 전해질 막이 널리 사용되고 있지만, 불소계 고분자가 기반이기 때문에 재료 설계 시에 적응할 수 있는 합성 반응이 한정되어 수소 이온 전도력의 향상이나 내열화성 개선을 위한 개량은 쉽지 않다. 최근 신규 전해질의 개발을 목표로 방향족 주쇄형 폴리머의 이용·블록 폴리머 설계·자기 조직성 분자를 구사한 재료 설계 등이 주목 받기 시작하고 있다.

도쿄 농공 대학 대학원 공학 연구원 생명 기능 과학 부문에서는 선행 연구 과제 "3차원 Gyroid 극소 계면을 이용한 양성자 전도성 공간의 형성"을 올해 10월부터 추진해 기존의 재료를 대체하는 새로운 연료 전지 전해질의 구축을 목표로 해 왔다.

평평한 판상 구조의 윗면과 아랫면이 직교하는 방향으로 수축하면, 안장형 구조를 형성한다(그림 1). 이러한 현상은 예를 들면, 감자 칩에서도 볼 수 있는데, 이는 판상의 감자를 기름에 튀기면 표면이 수축함으로써 이러한 안장형 구조를 형성한다. 이 안장형 구조를 3차원적으로 연결해 나가면 "자이로이드(Gyroid) 계면(그림 2)"이라는 수학적으로도 흥미로운 주기 곡면 구조를 얻을 수 있다. 연구팀은 분자 설계 기술을 사용하여 분자 집합체 차원에서 이러한 계면 구조를 형성하면, 새로운 기능 재료 개발에 초석이 될 수 있다고 생각해 연구를 추진 중이다.

그동안의 연구에서 자기 조직성 양쪽성 이온(1분자 내에 양전하와 음전하를 모두 가지는 분자)을 설계·합성하고 이들 분자의 집합 거동을 조사해 왔다. 이러한 검토 속에서 이온 액체(주 3)의 이온 페어를 형성하는 동시에 자발적으로 정밀한 집합 구조를 형성하는 분자를 설계하는데 성공했다. X선 측정 등을 이용해 구조 해석한 결과, 자이로이드 계면을 갖는 입방 구조(한쪽 변이 8~10 nm수준의 극소 사이즈)로 밝혀졌다. 또한, 이 계면은 수소 이온 등의 물질 전도장으로서 큰 가능성을 가지고 있음을 세계 최초로 보고해왔다. 이는 자이로이드 계면이 삼차원 공간적으로 연속적으로 펼쳐진 주기적인 극소 곡면이며, 곡면상의 임의의 점에서 평균 곡률이 0인 연속된 안장형 곡면으로 형성되어 있기 때문이라고 생각된다.

자이로이드 계면은 매력적인 계면 구조이지만, 이 계면을 만들어내는 자기 조립 분자를 설계하는 것은 쉽지 않다. 이 계면 구조를 나노 레벨의 주기성으로 자유롭게 만들어내는 방법론을 확립할 수 있다면, 나노 테크놀로지의 발전에 일조할 수 있을 것으로 기대된다. 1945년에 노벨 물리학상을 수상한 파울리 박사의 "God made solids, but surfaces were the work of the Devil"(고체는 신의 산물이지만, 계면은 악마가 만든 것이다)이라는 말대로, 계면에는 아직도 미지의 요소가 많고, 무한의 가능성이 기대되고 있다. 본 연구에서는 자이로이드 계면을 물질 수송장으로 적극적으로 이용한다는 것이며, "이온 액체"라는 아직도 수수께끼가 많은 재료를 사용하여 특이한 계면을 만들자는 것으로, 기능 계면 화학에 돌파구를 만들어 줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 수소 이온을 고속으로 수송하는 공간을 만들어 전류가 흐르기 쉬운 연료 전지 전해질로 응용할 수 있을 것이며, 향후에는 차세대 에너지 기기 개발의 소형화·경량화·내구성 향상 등 다양한 개선의 실현에 기여할 것으로 기대된다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 

- 자유화 전에 도쿄의 단가는 호쿠리쿠(北陸)의 1.5배 -

2016년 4월에 자유화되는 전력에는 소규모 점포 및 공장이 이용하는 “저압전력”이라는 계약 메뉴가 있다. 요금체계는 가정용과 달리 기본요금, 전력량 요금 모두 고정 단가로 계산한다. 기본요금의 단가는 지역에 따라 1.3배의 차가 있으며, 전력량 요금 단가는 1.5배의 차이가 있다. 새롭게 소매 자유화의 대상이 된 것은 계약전력이 50kW 미만의 이용자이다. 전국에서 8,000만 건을 넘는 계약 건수를 기록하였으며, 그 중 10% 정도가 점포 및 공장 등의 사업자이다. 가정보다 많은 전력을 필요로 하는 점포 및 공장에서는 계약 메뉴로서 “저압전력”을 선택하는 것이 표준적이다.

저압전력의 요금 체계는 자유화가 끝나는 “고압전력”의 경우와 다르지 않다. 기본요금은 계약전력 1kW당 단위로 결정되며, 전력량 요금은 월간사용량 1kW당 단가로 결정된다. 전력요금의 단가는 홋카이도를 제외하고 “여름”(7월~9월)과 “그 외 계절”(10월~6월) 등 두 개로 나뉜다.

2014년 11월 현재의 지역별 요금을 비교하면 가정용과 동일하게 지역간 큰 격차가 있다는 것을 알 수 있다. 기본요금의 단가가 가장 높은 곳은 오키나와로 가장 낮은 큐슈의 1.3배가 되고 있다. 다만 전력량 요금의 단가는 오키나와 쪽이 1엔 정도 저렴하며, 착실한 절전으로 전기요금을 억제할 수 있다.

기본요금과 전력량 요금의 양쪽 모두 높은 곳은 홋카이도이다. 기본요금은 오키나와에 이어 두 번째로 높으며, 전력량 요금은 연료비 조정단가를 추가한 연간 평균으로 비교하면 도쿄 다음으로 높다. 여름의 단가로 비교하여도 홋카이도 보다 높은 곳은 도쿄, 큐슈, 칸사이의 세 개 지역에 한정된다. 홋카이도의 사업자에게는 연간 절전대책이 필요하다.

전력량 요금의 단가가 전국에서 가장 저렴한 곳은 가정용과 같은 호쿠리쿠이다. 단가가 최고인 도쿄에서는 호쿠리쿠의 1.5배이다. 기본요금의 단가는 약간 호쿠리쿠 쪽이 높은 정도로 전력량 요금과 합하여 월간 전기요금은 1.5배 가까이 차가 생긴다. 도쿄, 호쿠리쿠, 홋카이도를 제외하면 그 외의 지역의 전력량 요금은 최대 1kWh당 2엔 이내가 된다.

점포와 공장이 이용하는 저압전력에서는 기본요금의 기본이 되는 계약전력을 결정하는 방법은 두 가지이다. 가정과 동일하게 차단기의 용량으로 결정되는 “주개폐기 계약” 외에 사용하는 전기기기의 용량으로 결정되는 “부하설비 계약”이 있다. 차단기를 사용하는 계약에서는 전력 사용량이 용량을 초과한 경우에 전력 공급이 정지되기 때문에 그러한 상황이 되어도 큰 영향이 없도록 이용환경에 맞도록 하였다.

부하설비 계약에서는 개개의 전기기기의 용량을 기본으로 계약전력을 산정한다. 기기의 대수가 많을수록 동시에 전력을 사용할 확률이 적으므로 세 대째와 네 대째는 용량의 95%, 다섯 대째부터는 용량의 90%로 전력을 견적하여 합계하는 방법이다.

두 방법 모두 실제로 이용하는 전력은 계약치와 다르므로 정부는 새롭게 “실제 양 계약”의 도입을 검토한다. 이미 고압전력에서는 실제 양 계약이 있으나, 월간이 아닌 연간 최대전력으로 계약전력을 결정하는 방식이며, 계절에 따른 수요의 변동이 큰 이용자에는 불리한 계약이 될 것이다. 앞으로는 가정을 포함하여 30분 단위의 전력사용량을 계측할 수 있는 스마트미터의 계측치에 기초하여 실제 양 계약을 적용할 수 있도록 할 예정이다. 실제 양 계약을 함으로써 전기요금은 종래보다도 낮아질 가능성이 크다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본 E사는 태양광발전을 도입한 일반가정에서의 “잉여전력” 매입을 개시하였다. 고정가격매입제도로 결정된 가격보다 1엔 높게 매수한다. 매수한 전력은 신전력용으로 판매된다. 신전력으로 안정된 전력을 공급하기 위한 자사의 홈에너지관리시스템(HEMS, home energy management system)를 활용하는 것이 특징이다.

특징은 두 가지다. 첫째는 고정가격매입제도(FIT)의 매수가격보다 1엔 높은 가격으로 매수하는 것이다. 2014년의 경우, 고정가격매입제도에서 37엔(세금 포함)인 것이 38엔(세금 포함)이 된다. 둘째는 계약 시에 홈에너지관리시스템 도입을 조건으로 한다는 것이다. 매수서비스에서는 계약요금이 발생하지 않고, 홈에너지관리시스템 도입도 초기비용만 필요하다.

재생가능 에너지에 의해 얻은 전력을 고정가격매입제도의 매수가격보다도 높게 구매하는 “프리미엄 매수사업”을 추진하고 있으며, 2014년 9월 시점에 고압(50kW 이상) 외에 전량 매수의 대상이 되는 저압(10kW 이상)을 취급하고 있다. 이번 대응으로 모든 태양광 발전이 대상이 되었다. 잉여전력의 매수에서는 호별 최소 매수량, 최대 매수량에 제한은 없다.

E사는 구입한 전력을 신전력(특정규모 전기사업자, PPS)에 공급한다. 또한 관리하는 전력규모는 태양광을 포함하여, 약 200만kW에 달한다.

신전력은 여러 가지 전력원에서 전력을 조달한다. 재생가능 에너지도 대상이다. 다만 태양광 발전에 유래하는 전력은 장벽이 높다. 개개의 태양광 발전소로부터 보내져 온 전력이 시시각각 변하기 때문이다. 신전력에는 “30분 동시 동량”의 원칙을 지켜야 하므로 어떤 방법에서 조달량을 평준화해야 한다.

신전력에 태양광을 판매하는 E사의 서비스는 이러한 장벽을 낮게 한다. E사는 사내에 기상통보관팀을 배치하는 것 이외에 태양광 발전시스템 설치지점의 일사량을 예측하는 알고리즘을 개발하였다. 이것에 의해 태양광 발전의 출력을 예측하고, 다른 전력원과 조합하여 신전력에 안정적으로 공급할 수 있기 때문이다.

여기에 잉여전력이 추가되면 어떻게 될 것인가. 일사량 예측만으로는 불충분하다. 각 가정이 어느 정도 전력을 소비하고 있는가 알 수 없다면 조달량의 예측이 불가능하다. 잉여전력은 “발전량?소비량”이므로, 맑은 날 발전한다고 해도 호별로는 0이 될 수 있다. 잉여전력 매수 시 홈에너지관리시스템의 도입을 조건으로 하는 이유가 여기에 있다. 홈에너지관리시스템을 도입하면 가구별로 태양광 발전의 출력과 가정내의 전력 소비량을 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 예측도 가능하게 된다. 태양광 발전시스템의 출력과 가전의 소비전력량을 통합하여 E사의 서버에 집적한다. 각 가정에서 데이터를 받은 서버는 태양광 발전 시스템 전체의 출력과 전체 가구의 전력 소비량을 빼서 잉여매수 전력을 산출한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

수송 및 전력망을 포함한 대규모 에너지저장을 위한 용도로 사용범위가 확대되고 있는 층간 리튬 삽입 전극(layered Li-intercalation electrode) 물질을 기반으로 하는 전통적인 리튬-이온 전지는, 본질적으로 전극의 낮은 이론용량을 가지고 있으며 에너지 수요에 대응할 수 없다는 약점이 있다. 하지만 독특한 리튬 저장 메커니즘(예, conversion storage 및 interfacial storage)을 기반으로 하는 나노구조의 anode 물질은, 용량 측면에서 차세대 고에너지 리튬-이온 전지를 구축하는데 유망하다. 그러나, 전극에서의 느린 반응속도와 사이클링에 따른 구조 안정성이 부족은 여전히 실용화를 어렵게 하고 있다.

이 문제를 해결하기 위해 Shu-Hong Yu 및 허페이 국립미세규모물리과학연구소(Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, HFNL), 중국과학기술대학(University of Science and Technology of China)의 연구팀은, 최근 고에너지 용도로 사용할 수 있는 역학적으로 안정적인 anode 물질을 구축하는 방법을 개발하였다. 연구팀은 연구를 위해 2가지 물질을 신중히 선택하였는데, 그 중 하나는 dichalcogenide anode 물질로 다수의 리튬 이온을 수용할 수 있는 MoS2(molybdenum disulfide)로, TiO2 혹은 TiS2와 같은 삽입형 anode보다 훨씬 더 높은 이론용량을 가능하게 한다. 다른 한 물질은 다공성 탄소(porous carbon)로, 계층적인 다공성 구조와 넓은 비표면적으로 인해 리튬-이온 전지에 활용할 수 있는 anode로서 역시 강력한 후보 물질이다. 다공성 탄소는 독특한 계면 및/혹은 나노포어 리튬 저장 프로세스를 가능하게 하며 흑연에 비해 비용량이 몇 배는 더 크다. 두 가지 물질 모두 고에너지 리튬-이온 전지를 구축하는데 유망하지만, 이 물질들에도 단점이 존재한다. MoS2는 S-Mo-S 형태로 밀집된 적층형 구조로 >1.1V에서 안정적인 리튬 삽입을 가능하게 하지만, Li+/Li는 Mo 및 Li2S로 전환을 위해서는 추가적인 리튬을 필요로 한다.

Li2S의 저조한 재현성(cyclability)과 낮은 전도도로 인해, MoS2의 용량은 사이클이 진행됨에 따라 빠르게 소실된다. 게다가, 충전/방전 동안 상당한 부피변화가 발생하기 때문에, MoS2 anode는 분말화(pulverization) 현상을 통해 사이클링 성능을 떨어뜨린다. 반면 다공성 나노탄소 물질은 전해질과의 과도한 계면을 제공하여 상당한 부작용을 일으킴으로써, 저조한 재현성과 낮은 쿨롱 효율(Coulombic efficiency)을 나타낸다. 이 두 가지 물질을 조합하여 각각의 결함을 극복하여 시너지 효과를 발휘할 수 있도록 하기 위해, 연구팀은 새로운 나노복합재료를 합성하였다. 이 나노복합재료는 수열(hydrothermal) 합성법을 사용해 MoS2 시트에 탄소 나노섬유를 조합(CNFs@MoS2)하였는데, 저렴하고 바이오매스에서 얻은 탄소질의 나노섬유를 지지체로 사용하였다.

이 두 가지 활성성분의 조합을 통해 단일 성분이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 향상된 전기화학적 성능을 보여줌으로써 긍정적인 시너지 효과를 확인할 수 있었다. 게다가 리튬 지정에 대한 새로운 전기화학 특성을 보여주었는데, Mo(혹은 MoS2)에서 MoS3으로 영구적인 전환을 가능하게 하여 용량과 반복된 충전 과정 속에서도 재현성을 향상시켰다. 그 결과 사이클에 따른 복합재료의 용량이 점진적으로 증가하는 것으로 나타났다.

CNFs@MoS2 나노섬유는 비용량(초기 방전 시 1489 mA·h/g), 사이클 성능(50사이클 후에 1264 mA·h/g) 및 속도 성능(5A/g에서 860 mA·h/g) 측면에서 뛰어난 리튬 저장능력을 보여줌으로써, 고에너지 리튬-이온 전지용 anode 재료로서의 가능성을 높여주었다. 게다가 고에너지 전지에서 삽입 물질을 필요로 하지 않는 높은 용량 특성은, 이전의 삽입형 물질을 사용하는 연구들에 비해 광범위한 중요성을 가질 것이라고 연구팀은 평가하였다. 이런 현상이 나타나는 원인은 아직 분석 중이며, 산업체 및 경제의 지속가능성 측면에서 유익한 결과가 기대된다. 본 연구결과는 Angew. Chem. 국제판에 게재되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』