GaN 베이스 블루 LED(발광다이오드)의 발명은 ‘에디슨 후의 제2차 조명 혁명’에 속한다. 아카사키 이사무(일본), 아마노 히로시(일본), 나카무라 슈지(미국) 3명 과학자는 블루 LED를 개발한 공로로 2014년 노벨 물리학상을 수상하였다.

블루 LED와 형광체를 합성한 화이트 LED(white LED)의 발광 효율은 형광등의 2배에 달하고 있으며 현재 이미 LCD 백라이트(LCD backlight)에 폭넓게 응용되고 있는 상황이다. 하지만 가격이 매우 높은 것이 문제가 되고 있다. 전통 GaN 베이스 블루 LED는 일반적으로 작업 전류 밀도가 20A/㎠ 수준에 달하기 때문에 LED의 작업 전류 밀도를 향상시키고 단위당 칩 면적 상에서 더욱 많은 광 출력을 실현하게 되어 LED 조명 원가를 감소시키고 LED로 하여금 자동차의 헤드라이트(headlights) 및 프로젝터(projector) 등 밝은 광원(Bright light source)이 필요한 분야에 적용될 수 있게끔 한다.

하지만 블루 LED가 큰 전류 밀도 하에서 작업할 때 효율이 떨어지는 문제가 존재하는데 구체적으로 효율 드룹(Efficiency Droop) 문제가 존재하여 하이 파워, 하이라이트 조명 분야 발전에 영향을 끼치고 있는 상황이다. 최근 많은 과학자들은 효율이 떨어지는 원인에 대한 연구를 실행하고 블루 LED 양자 효율이 작업 전류 밀도 증가에 따라 대폭 떨어지는 문제에 대한 연구를 실행하고 있다.

중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 바이오닉 연구소는 연구소가 설립될 때부터 GaN 베이스 블루 LED 연구를 실행하였으며 지난 2010년도에 상용화를 실현한 상황이다. 최근 수저우 나노 기술 및 바이오닉 연구소 산하 ‘나노 디바이스 연구개발부’ 류젠핑(劉建平) 연구원 연구팀은 관련 연구를 통해 블루 LED 효율이 떨어지는 문제점에 대한 연구를 실행하여 혁신적인 성과를 취득한 상황이다.

연구팀은 신형 블루 LED 활성 구역 구조(Active region structure)를 통해 평면 사파이어 기판(Flat sapphire substrates) 상에서 초 저효율이 떨어지는 블루 LED를 개발하는데 성공하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 저명 학술지 응용물리학 레터지(Applied Physics Letters)에 발표되었다(105, 173510 (2014)).

국제 반도체 산업 분야에서 폭넓은 영향력을 보유하고 있는 저명 저널 Semiconductor Today에서도 연구팀의 관련 연구 성과에 대해 전문 보도를 하였다.

연구팀이 디자인한 LED 구조(그림 1. 참조) 중의 다중 양자 우물(Multiple quantum well)의 활성 구역 양자 장벽(active region quantum barrier)은 InGaN 재료를 사용하여 전통 블루 LED 속에서 비교적 많이 사용하는 GaN 재료를 대체하였다. InGaN 양자 장벽 중의 In 몰분율(Molar fraction)은 변하는데 P 타입 층에서 N 타입 층 방향으로 계단식으로 감소된다(InGaN-SC QB(양자 장벽)). 구체적으로 양자 장벽 층의 장벽은 P 타입 층에서 N 타입 층 방향으로 계단식으로 감소된다.

연구팀이 디자인한 활성 구역 구조는 공동(Cavity)이 활성 구역에서의 확산 장벽을 감소시켜 공동으로 하여금 멀티 양자 우물 속에서의 분포를 더욱 균일하게끔 한다. 하지만 연구팀이 지난 2008년도에 관련 연구를 통해 취득한 연구 결과를 보면, 전통 GaN 양자 장벽 LED 속의 대부분 공동이 P 타입 층의 1~2개 양자 우물 속에 근접해 있기 때문에 큰 전류 밀도 주입 하에서 양자 우물 속 캐리어 밀도가 더욱 높아져 LED 효율을 떨어뜨리게 된다는 연구 결론을 도출한 것(Appl. Phys. Lett. 93，021102 (2008))으로 나타났다.

평면 사파이어 기판(Flat sapphire substrates) 상에서 개발한 InGaN-SC-QB LED 칩이 전기 주입 하에서 송출하는 광 파워와 외부 양자 효율(EQE)은 전통 GaN-QB LED와 비교된다(그림 2. 참조). 200A/㎠ 전류 밀도 하에서 전통 GaN-QB LED의 외부 양자 효율 감소폭은 28.4% 수준에 달한다. 하지만 InGaN-SC-QB LED 외부 양자 효율 하에서의 감소폭은 3.3% 수준에 달하며, InGaN-SC-QB LED의 송출 광 파워는 전통 GaN-QB LED보다 47% 높은 것으로 나타났다.

이런 상황은 연구팀이 개발한 신형 InGaN-SC-QB LED는 200A/㎠, 심지어 더욱 높은 전류 밀도 하에서 작업할 수 있기 때문에 전통 LED 작업 전류 밀도보다 한 개 수량 등급이 증가되었음을 의미하고 있다.

연구팀은 신형 InGaN-SC-QB LED 저효율 하락의 물리 메커니즘에 대한 실험 연구를 실행하였다. 연구팀이 이번 실험 연구에서 사용한 방법은 ‘우물 검출 방법(monitor well method)’이라고 하는데 블루 멀티 양자 속의 한 개 우물을 발광 파장이 480nm에 달하는 장 파장 양자 우물로 교체하여 동 우물 속의 캐리어 밀도와 처한 위치와의 관계를 평가하는 방법이다.


동 결과는 전통 GaN-QB LED 속 양자 우물의 발광 강도가 P 타입에 근접한 양자 우물에서 N 타입에 근접한 양자 우물로의 근사 지수가 감소되고 있다는 점을 나타내고 있으며, P 타입에 근접한 양자 우물의 발광 강도는 N 타입에 제일 근접한 양자 우물 발광 강도의 4.5배 수준에 달한다는 점을 나타내고 있다. 이런 상황은 공동이 높은 불균형 분포 특징을 보유하고 있다는 점을 나타내고 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 InGaN-SC-QB LED 속에서 발광 강도의 최대 차이는 1.7배 밖에 되지 않고 있으며 이런 차이는 네 번째 우물과 첫 번째 우물 간의 차이를 나타내고 있다는 연구 결론을 도출하였다. 이런 결과는 공동 분포의 개선을 입증하고 있을 뿐만 아니라 InGaN-SC-QB LED 속의 양자 효율이 기본적으로 감소되지 않는다는 물리 메커니즘을 제시해 주고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본 토호쿠대학 원자분자 재료과학 고등 연구기구(AIMR) 등의 연구그룹은 일본 학술 진흥회 특별 연구원들과 공동으로 초고해상도 현미경 관찰과 제일 원리 계산의 병용에 의해 티탄산 스트론튬(SrTiO3) 단결정 표면의 표면 전자 상태 해명에 처음으로 성공해 전자 밀도의 공간적 분포가 에너지에 의존하고 변화하고 있음을 확인했다.

티탄산 스트론튬을 비롯한 금속 산화물은 미세 가공의 한계에 도달하고 있는 실리콘을 대체할 전자 소자의 핵심 물질로 주목 받고 있다. 그러나, 산화물의 표면 구조를 원자 수준에서 제어하는?? 것이 매우 어렵기 때문에 표면의 원자 배열과 전자 상태의 이해가 충분하다고는 말할 수 없으며, 고성능화 및 실용화에 걸림돌이 되고 있었다 .

본 연구 그룹은 지금까지의 연구에서 시료의 조제 방법을 최적화하여 원자 수준에서 제어된 티탄산 스트론튬 기판 표면을 제작하는 것을 가능하게 하고 있다. 본 연구에서는 먼저 원자 하나하나가 식별 가능한 주사 터널링 현미경을 이용하여 표면의 관측을 실시한 결과, 티타늄 원자와 산소 원자가 질서 있게 정렬하고, 크고 작은 2개의 구멍이 교대로 늘어선 체크 모양으로 되어 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 실험 결과와는 독립적으로 물질의 전자 구조를 계산하는 제일원리 전자상태 계산을 병행하여 티탄산 스트론튬 표면의 전자 상태를 조사한 결과, 표면 전자 상태의 공간 분포가 에너지 상태에 따라 링에서 네잎 클로버 모양으로 변화하는 것을 확인했다. 이번 연구 성과는 원자 수준에서 제어된 티탄산 스트론튬 표면의 원자 배열과 전자 상태를 최초로 규명한 획기적인 성과이며, 산화물 전자 공학의 발전으로 이어질 뿐만 아니라, 산화물 표면 또는 이종 산화물 계면에서 발현하는 전기 전도성, 자성, 초전도 등의 물리 현상의 메커니즘 해명에도 도움이 된다.

금속 산화물은 강자성 금속-절연체 전이, 초전도 등 다양한 물성을 나타내기 때문에, 다기능, 저소비 전력 일렉트로닉스를 구축하기 위한 유망한 재료이다. 금속 산화물을 전자 공학에 응용하는 연구 분야는 산화물 일렉트로닉스로 불리며 일대 연구 분야가 되고 있다. 이번 연구 대상인 티탄산 스트론튬(SrTiO3)은 산화물 일렉트로닉스에서 기존의 실리콘 반도체 전자의 실리콘과 마찬가지로 장치 구축 시의 핵심 재료로 자리 매김하는 가장 중요한 재료 중 하나이다.

장치의 설계·제작에서는 물질 중에 존재하는 전자가 어떤 에너지와 공간적인 확대를 갖는지가 중요하다. 이것을 전자 상태라고 부르고, 전기 전도성, 광학 특성 등의 물성을 결정한다. 전자 상태는 물질을 구성하는 원자의 배열이나 결합 상태 등 원자 수준의 구조에 크게 좌우되고, 실리콘 반도체에서는 이 구조·전자 상태가 실험과 제1원리 전자 상태 계산과 함께 정밀하게 이해되고 있다. 한편, 금속 산화물에 대한 이러한 이해는 지연되고 있는 실정이다.

또한, 최근에는 SrTiO3를 대표로 한 페로브스카이트 산화물을 이용한 인공적인 계면 구조를 제작함으로써, 전기 전도성, 자성, 강유전성, 초전도 등의 신기한 물성을 창출하는 연구가 성행하고 있다. 일반적으로 물질 내부에서 전자 상태는 방향에 크게 의존하지 않는 3차원적인 성질을 나타내는 데 반해 박막 형태의 계면에서는 그 표면에 평행하거나 수직인 데 따라 큰 차이가 생기기 때문에 내부에서는 볼 수 없는 물성이 발현한다. 대표적인 예로서 알루민산 랜턴(LaAlO3)과 SrTiO3를 접합시킨 계면을 들 수 있는데, 모두 절연체이면서 계면에서 높은 전기 전도성이 생기는 것으로 알려져 있다. 이런 특이한 물성 발현은 물질 내부의 주기적인 원자의 구조가 계면에서는 무너지는 것이 시사되고 있다. 그러나, 기판이 되는 SrTiO3조차 원자 수준의 질서를 가진 표면의 제작이 곤란하고, 그 구조 및 전자 상태를 원자 규모의 공간 분해능으로 관찰한 보고가 없어 기초적인 이해가 지연되는 요인이 되고 있었다.

본 연구 그룹은 물질 내부 구조의 주기성이 무너지는 가장 단순한 계로 SrTiO3 기판의 재구성 표면에 주목했다. 그 표면 구조 및 전자 상태를 주사형 터널 현미경(STM, 그림1 참조)을 이용하여 원자 수준에서 관찰하고, 그 결과 제1원리 전자 상태 계산을 병용하여 표면의 전자 상태를 고찰했다.

그림 2에 STM에서 관찰한 SrTiO3 기판 표면의 상과 구조를 나타냈다. 명암 2개의 사각형이 교대로 늘어선 체크 무늬가 관찰돼 원자들이 정연하게 늘어선 상태임을 나타내고 있다. 이는 표면에만 존재하는 이산화 티타늄(TiO2)의 층이 대소 2종류의 구멍을 갖도록 배열하고 있다는 사실에 기인한 것으로 생각된다. 이어 STM을 이용하여, 기판 표면에 어떤 에너지를 가진 전자가 어느 정도의 밀도로 공간 분포하고 있는지 관찰했다. 전자 밀도의 분포 상태는 전자의 에너지의 크기에 따라 변화하고 있어 에너지가 비교적 낮은 상태(페르미 준위에서 +1.0eV 떨어진 영역)에서는 링 모양의 형상, 그보다 에너지가 클 경우 네잎 클로버 모양의 형상을 취하는 것을 알았다(그림 3).

제1원리 전자 상태 계산에 따른 표면 구조를 결정하고 그 구조를 이용하여 전자 상태를 재현하면, 유사한 에너지 의존성을 가진 전자 밀도 분포의 형상 변화가 재현되었다. 물질 내부에서는 동일한 에너지인 티타늄의 3개의 전자 궤도(dxy, dyz, dzx)가 물질 표면에서는 궤도에 따라 에너지가 서로 다른 것이다. 그리고, 전자 에너지가 작은 경우는 표면에서 안쪽 방향으로 분포하는 dxy궤도가 안정화하고, 그 공간 분포가 링 모양의 형상으로 밝혀졌다. 한편, 에너지가 높은 상태에서는 표면 수직 방향 성분을 가진 궤도(dyz, dzx)에서 유래한 공간 분포를 보이고 있음을 발견하였다.(그림 4).

원자 수준 분해능으로 전자 밀도의 공간 분포를 실공간 관찰해 제1원리 전자 상태 계산과 비교함으로써, 물질 내부 원자의 대칭성이 깨진 표면 및 계면에서 전자 에너지에 의해 전자 밀도의 공간 분포가 다르다는 사실이 밝혀졌다. 또한, 이 표면의 공간 분포의 차이는 수직 방향의 전자 궤도와 수평 방향 전자 궤도의 에너지가 다르기 때문임을 알 수 있었다. 이러한 전자의 행동을 원자 규모로 이해함으로써 새로운 인공 산화물 계면을 창제하고, 나아가 그 특이한 물성의 제어를 기대할 수 있다. 이들 표면과 계면의 이해는 촉매 또는 리튬 이온 전지 등 에너지 장치의 원리와도 밀접하게 관련하고 있으며, 이들 특성의 향상으로도 이어질 것으로 예상된다. 앞으로는 진정한 원자 규모로 설계된 구조와 전자 상태와 거시 물성과의 관계를 밝히는 것이 바람직하다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본 M건설은 위험물 저장시설에 지붕 위 살수시스템을 도입하였다. 하계에 실온을 10도 이상 낮출 수 있는 효과를 얻었다. 공조기기를 사용하지 않고 적은 에너지로 실내 열환경을 개선한 사례이다.

창고 내 보관공간을 넓게 하고 있지만, 지붕에 가까운 부분은 온도가 높아 보관에 적절하지 않다. 그래서 하계에도 실내 상부의 온도를 40도 이하로 유지하길 원하였다. 석유계 용제를 보관하는 창고는 방재 상 규제가 많고, 정기적인 소방점검도 있다. 내부에 설비를 위치시키는 경우, 방폭사양이 요구된다. 에어컨 등 공조기기를 채용한 경우, 기기도 방폭사양에 맞추어야 하기 때문에 비용이 소요된다.

그래서 물의 증발냉각효과를 사용하여 건물 내를 냉각하는 ‘지붕 살수시스템’을 채용하였다. 지붕 살수시스템은 건물 내부의 가공이 거의 필요하지 않고 방폭사양에도 대응할 수 있다. 공조장치를 도입하지 않는 다른 방법도 있다. 지붕의 차열과 단열이다. 그러나 지붕살수시스템이 냉각효과가 클 것이라고 전망하고 있다. 2014년 7월 7일에 제1회 협의를 거쳐 8월 10일 착공, 8월 11일에는 잠정적 이용을 개시, 9월에는 완성하여, 설비를 설치하였다. 대상이 되는 시설의 지붕은 5m×10m(50m2)이다. 살수대상은 지붕 전면이고, 살수량은 월간 4.6톤(예상)이다. 시설에 지붕 살수시스템을 도입한 결과, 실제로 실온을 10℃ 이상 내리는 효과를 얻었다. 지붕으로부터 열부하와 방사열이 없어졌기 때문이다.

기온과 실내온도의 상관관계를 보면, 시설 내에는 높이마다 여러 단으로 나눈 선반을 설치하였다. 그래서 높이가 다른 4개의 선반을 선택하여 측정하였다. 각도 45도의 선을 보면 알 수 있듯이 살수이전은 기온보다도 실내온도가 높은 부분 쪽이 많았다. 살수 후는 기온보다도 낮은 부분이 많았다. 특히 고온이었던 5단의 온도저하가 뚜렷하다.

바닥으로부터의 높이(종축)마다 온도를 측정한 결과를 보면, 비살수 시와 살수 시를 비교하면, 높은 위치일수록 온도가 낮아진다는 것을 알 수 있다. 지붕내측 상부에서는 온도가 20도 이상 낮았다. 또한 비살수 시와 살수 시는 측정한 일시가 다르다. 그러나 기온과 일사 등의 기상조건은 거의 동일하다고 생각된다.

지붕 살수시스템의 다른 하나의 특징은 전기사용량이 적다는 것이다. “전력 삭감량은 산출 중”이나, 기본적으로는 상용전원(계통전력)을 사용하지 않는다. 수도수를 지붕 위의 살수 노즐에서 방출할 때 펌프 등은 사용하지 않으며, 제어시스템은 태양전지로 동작하기 때문이다.

제어시스템의 소비전류는 최대 2mA로 적으므로 내장된 태양전지와 축전지로 동작 가능하다. 지붕의 온도를 낮추는 것이 목적이므로 일사의 유무와 기온을 측정하여 살수 여부를 제어한다. 강우 시는 살수를 정지한다. 제어에러도 감지한다. 살수 명령을 내렸음에도 불구하고 살수가 이루어지지 않는 상황을 감지하여 경보를 내는 기능이다. 물의 흐름을 차단하기 위해 살수용 자석밸브를 사용하므로 간헐운전에도 대응한다.

이번 제어시스템은 대규모 지붕살수에서 필요한 순차 살수시스템에도 적용될 수 있다. 순차 살수시스템이란 지붕면에 살수노즐을 일정 간격으로 배치하여 1렬 마다 순서대로 살수하는 방법이다. 1회당 살수량이 적어지며, 시스템을 간결하게 할 수 있다. 물의 사용량이 줄어들고, 설치비용이 낮아진다. 수도수 이외의 물을 이용하는 것도 가능하다. 에를 들면, 우물물을 이용하는 시스템의 경우에는 지붕의 일부에 태양전지 모듈을 설치하고, 우물용 직류펌프를 작동시키는 것도 가능하다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

오카야마대학 대학원 자연과학연구과와 이화학연구소 방사광과학종합연구센터이용시스템개발연구부문 빔라인기반연구부, 생명계방사광이용시스템개발유닛 연구팀은 X선 자유전자 레이저(XFEL) 시설 SACLA를 이용하여 광합성에 의한 물분해 반응을 촉매하는 광화학계 II 복합체의 구조를 1.95A의 분해능으로 정확하게 알아내었다.

광합성의 산소발생반응은 태양의 광에너지를 이용하여 생물이 이용 가능한 화학에너지로 변환함으로써 물을 분해하여 생물의 생존에 필요한 산소를 만들어 낸다. 이 반응을 수행하는 것은 조류 및 식물의 잎에 존재하는 엽록체로 광화학계II 복합체라는 단백질 복합체이다. 이 복합체는 19개의 단백질로 이루어지면, 거대하고 상당히 복잡한 막단백질 복합체이다.

2011년 일본의 온천 유래 남조류의 일종에서 광학계II 복합체의 양질의 결정을 작성하여, 그 구조를 SPring-8의 방사광 X선을 이용하여 1.9A라는 상당히 높은 분해능으로 해석하였다. 그때까지 미해명이었던 수분해반응을 담당하는 촉매 중심의 구조를 분명히 밝힌 성과는 “Science”에 의해 2011년 과학상의 10대 발견으로 선정되었다. 그러나 X선 결정구조 해석으로 사용하는 X선 회절사진의 촬영에 필요한 수초간의 X선 조사 사이에 수분해반응을 담당하는 촉매중심의 일부가 X선에 의한 방사선 파손을 받아, 본래의 구조와 약간 다를 가능성이 있었다.

이번에 X선에 의한 방사선 손상의 영향이 없는 광화학계II의 본래 구조를 해석하기 위하여 SACLA의 X선 유래 전자 레이저를 이용하였다. X선 유래 전자 레이저의 펄스 X선은 1펄스로 X선 회절사진을 촬영할 수 있을 정도로 상당히 밝으며, 1펄스의 계속시간이 100조분의 1초(10펨토초)로 상당히 짧기 때문에 X선에 의한 방사선 파손으로 분자의 구조변화가 일어나기 전에 X선 회절사진을 촬영할 수 있다.

본 연구그룹은 SACLA에서 개발한 “펨토초 X선 결정 구조해석법”과 세계 최고품질의 광화학계II의 결정을 작성하는 기술을 조합함으로써 광화학계II 복합체의 방사성 손상을 받고 있지 않은 본래의 구조를 1.95A 분해능으로 상세히 해석함으로써 세계에서 처음으로 성공하였다. 이번 해석에서 밝혀낸 무손상의 Mn4CaO5 클러스터는 지금까지 SPring-8의 방사광을 이용하여 얻은 구조보다도 원자간의 거리가 0.1~0.3A 정도 짧게 되며, 촉매의 본래 구조를 반영한다. 이 구조로부터 수분해반응의 구조에 관한 새로운 지견을 얻을 수 있다.

광화학계II의 촉매중심인 Mn4CaO5클러스터는 주위의 아미노산이 협조적으로 구조 변화되어 주기적 5개의 중간상태를 지나 극히 효율이 높은 수분해반응이 수행되나, 상세한 동적 메커니즘은 불분명한 상태이다. 본 연구의 성과는 광화학계II의 반응주기의 제1상태에 대하여 반응성을 유지한 채 본래의 Mn4CaO5 클러스터와 주변의 구조를 분명히 한 것이며, 태양의 가시광 에너지를 이용한 수분해반응을 인공적으로 실현하기 위한 촉매의 구조기반을 제공하였다. 이 반응을 모방한 “인공광합성”이 실현되면, 광에너지를 고효율로 전기에너지와 화학에너지로 변환할 수 있다. 이러한 꿈의 “인공광합성”은 태양에서 청정하며 재생 가능한 무제한의 광에너지를 고효율로 이용할 수 있으며, 우리들이 직면한 에너지문제, 환경문제 및 식량문제의 해결로도 이어질 것으로 기대한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

요약: 과학자들이 마그네슘-황 전지를 만드는데 사용될지도 모르는 전해질을 개발했다. 마그네슘을 가지고, 리튬보다 더 높은 저장 밀도를 이룰 수 있을 것이다. 더욱이, 마그네슘은 자연에 풍부하고, 독성이 없고 공기에서 저하되지 않는다.

그림. 음극 화합물의 전자 현미경 이미지.

(Karlsruhe Institute of Technology (KIT))가 설립한 헬름홀츠연구소(Helmholtz Institute Ulm (HIU))가 다음 및 그 다음 세대의 전지와 관련된 연구를 수행하고 있다: 이 연구팀이 이제 마그네슘-황 전지의 구축을 위해서 사용될지도 모르는 전해질을 개발했다. 마그네슘을 가지고, 리튬을 가지고 하는 것 보다 더 높은 저장 밀도를 이룰 수 있다. 더욱이, 마그네슘은 자연에 풍부하고, 독성이 없으며, 공기 중에서 분해되지 않는다. 이 새로운 전해질은 이제 저널 Advanced Energy Materials에 실렸다.

많은 전자 장비들에서, 리튬-이온 및 금속-수화물 전지들이 에너지 저장을 위해서 적용되고 있다. 과학자들은 미래 장비들의 성능과, 안전성과 비용 효율성, 지속가능성을 향상시키기 위해서 또한 이들 확립된 전지 시스템들에 대한 대안을 연구하고 있다. 다른 원소로 리튬을 대체하는 것이 그들의 목표이다. 이 목표를 위해서, 모든 전지 구성성분들을 새로 개발해야 하며, 전기화학적인 과정들을 이해할 필요가 있다.

마그네슘을 기반으로 하는 전지들은 현재 전지들에서 리튬을 대신할 매력적인 선택권으로 여겨지고 있다. 원리상, 마그네슘은 리튬보다 더 높은 에너지 밀도에 도달하게 해준다. 리튬과 대조적으로, 마그네슘의 다른 이점은 자연에 풍부한 것과, 무독성, 그리고 공기 중에서의 낮은 분해이다. 지금까지 이 영역에서 이룬 진전은 한계가 있었다. 높은 저장 용량과 전력 밀도의 마그네슘 전지를 디자인하기 위해서, 쉽게 만들 수 있고, 안정하며, 다른 용매들에서 높은 농도로 사용할 수 있는 적절한 전해질이 필요하다.

HIU에서, Maximilian Fichtner와 Zhirong Zhao-Karger가 이끈 한 연구팀이 이제 새로운 전망 있는 전해질을 제시했는데, 이것은 완전히 새로운 세대의 전지를 개발하는 것을 가능하게 해줄지도 모른다. 이 새로운 전해질은 많은 전망있는 성질들을 가진다. 그것은 매우 높은 효율성과 전례없는 전기화학적인 안정성 범위를 가진다. 덧붙여서, 이 전해질은 다양한 용매들에서 높은 농도로 사용될 수 있다. 더욱이, 이 전해질은 황 음극과 화학적으로 호환되는데, 이것은 이론적 값에 가까운 전압에서 방전될 수 있다. 또 다른 이점은 그 전해질의 매우 간단한 생산이다. “두 가지 상용가능한 표준 화학물질들인 마그네슘 아마이드(magnesium amide)와 염화 알루미늄(aluminium chloride)이 응용된다. 그것들을 원하는 용매에 넣고 저어준다. 그 다음에 이 간단한 혼합물을 전지에서 전해질로서 직접 사용할 수 있다”고 Maximilian Fichtner는 말했다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

미국내  재생가능 에너지(Renewable Energy)와 관련한 새로운 보고서에 따르면, 기존 대비 개선된 저장 기술(Storage Technology)을 이용하거나 전체적인 전기 흐름(Flow of Electricity)을 더 안정적으로 공급할 수 있는 다양한 대체 에너지 시스템을 서로 조화롭게 연결하는 노력들은 지금보다 재생가능 에너지(Renewable Energy)가 확대될 수 있게 하는 중요한 도약의 기회를 제공하는 것으로 나타났다.

그 동안의 이력으로 볼 때 대체 에너지 시스템의 활용 및 비용 효율성과 관련한 주요 단점은 이들이 너무 많은 변동성을 보여준다는 것이었다. 만약 바람이 불지 않거나 태양이 빛나지 않는 날씨에서는 완전히 다른 에너지 시스템을 활용해야만 상호 보완할 수 있었다. 이러한 의존성 부족은 높은 비용과 비효율성이라는 결과를 초래하게 된다. 그러나 Electricity Journal에 발표된 한 분석결과에서 연구원들은 개선된 에너지 저장 기술이나 하이브리드 시스템(Hybrid System)을 활용한다면 이러한 문제의 대부분을 해결할 수 있다고 주장하였다. 여기서 하이브리드 시스템이라는 것은 넓은 지리학적 규모의 개념 속에서 하나의 재생가능 에너지 생산이 증가하면 다른 하나는 생산을 낮추는 것을 의미한다.

오레곤 주립대학(Oregon State University)의 대학원생이자 에너지 정책 분석가인 Anna Kelly는 "풍력에너지는 상당한 가격 경쟁력을 확보하고 있으며, 태양에너지 역시 이러한 경쟁력을 빠르게 갖추어 가는 상황이다. 이들 기술과 관련된 다른 기술을 보다 폭넓게 활용하는데 있어 중요한 것은 스마트 그리드(Smart Grid) 연결 시스템에 적절히 결합시키는 일이다. 이러한 일은 다수의 국가들에서 이미 성공적으로 수행되고 있으며, 접근방법 또한 앞으로 확대될 것으로 보인다"고 말한다. 또한 "예를 들어, 일부 지역에서 바람은 야간 시간대에 더 강하게 분다. 그리고 태양발전 기술은 해가 떠 있는 낮 시간에만 에너지를 생산할 수 있다. 연결된 그리드의 기본 개념을 보다 복잡하게 활용하고 에너지 저장과 같은 보다 개선된 형태에 짝을 지어줌으로써 재생가능 에너지 시스템의 활용도를 지금보다 훨씬 확대할 수 있다. 이는 단순한 아이디어 이상의 것으로 미국뿐만 아니라 스페인, 모로코, 중국 등 전세계에 있는 에너지 공장의 현실에 잘 부응한다"고 덧붙였다.

Kelly는 "지열(Geothermal) 에너지는 태양발전과 짝을 이룰 수 있고, 풍력 및 태양발전은 리튬이온 배터리(Lithium-ion Battery)와 연결될 수 있다. 그리고 풍력발전 및 바이오디젤(Biodiesel)은 배터리 시스템과 이어진다. 이러한 접근방법은 가격 이슈를 해결하는데 도움을 주기 때문에 실제 기업들은 하이브리드 시스템을 통해 에너지를 생산하면서 이익을 창출하고 있다"고 설명하였다. 차세대 에너지 저장 기술은 재생가능 에너지의 활용도를 높이는데 필요한 또 다른 중요한 요소가 될 것이다. 이와 관련한 한가지 예는 미 서부에 위치한 몇 개의 주에서 진행되고 있는 사례이다. 와이오밍(Wyoming) 주에 위치한 효율화된 풍력단지(Wind Farm)를 통해 전기를 생산하고 있으며, 생산된 전기는 유타(Utah) 주로 전달된다. 이 에너지는 특정 암석지대내의 압축공기(Compressed Air)를 통해 저장되며, 최종적으로 로스엔젤리스의 전기 공급에 활용되고 있다. 압축공기는 에너지 수요에 대해 빠르게 응대할 수 있고, 상업화 규모에서 가격 경쟁력을 갖기 위한 규모 확장이 용이하기 때문에 80억 달러(약 9조 원)의 이 시스템은 다가오는 시대의 새로운 지표가 될 것으로 보인다.

이번 논문의 공동저자이자 오레곤 주립대학 대학원생인 Joshua Merritt는 "그렇지만 아직까지 극복해야 할 다수의 장애물이 있다"고 말한다. 그는 "에너지를 보다 손쉽게 생산하고 필요한 지역에 보낼 수 있게 하기 위해서는 지금의 송전 그리드에 중요한 개선이 이루어져야 한다. 이를 극복하기 위해서는 규제와 관련한 일부 장애물들이 있다. 그리고 대중은 이론적인 측면만이 아니라 실용적인 면에서 풍력, 파력 및 태양발전과 같은 에너지 시스템을 지금보다 더 많이 수용해야 할 것"이라고 말한다.

과학자들은 재생가능 에너지 시스템 도입과 관련하여 ‘내가 살고 있는 지역에는 안된다(Not in My Back Yard).’는 인식이 아직까지 남아 있다고 말한다. 그리고 어떤 형태의 에너지라도 환경적인 우려는 아직 남아 있다. 예를 들어, 풍력터빈 로터(Wind Turbine Rotor)는 날아다니는 새를 죽일 수 있고, 수력발전은 물고기에 영향을 줄 수 있다. 또한 태양에너지를 사용하는 것에 의해 화학적 오염이 발생하기도 한다.

연구진은 가까운 미래에는 더 많은 에너지 옵션을 제공할 수 있을 것이라 말한다. 차세대 배터리 기술은 점차 활용 가능한 수준이 개선되고 있다. 파력(Wave)이나 조력(Tida) 에너지는 실질적인 기여자가 될 수 있으며, 이들 에너지는 다른 에너지 대비 예측이 가능하면서 안정적이라는 장점이 있다. 그리고 낮은 비용으로 건설이 가능하면서 온실가스(Greenhouse Gas)를 배출하지 않는 소규모 모듈식 원자로(Modular Nuclear Reactor)의 탄생은 재생가능 에너지원으로부터 시작되는 에너지 흐름에 균형을 맞추는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

이번 보고서에서 언급되었듯이 장기적인 목표는 일관성과 재생가능 에너지 간 상호 의존성을 제공하는 하이브리드 시스템을 잘 운영할 수 있는 기술을 확인하는 것이다. 시스템, 개선된 송전 능력, 일부 신규 기술의 진보와 관련한 신중한 조합을 통해 이러한 목표는 보다 현실적으로 가까워질 수 있다. 연구진은 "개발이 진행되면서 하이브리드 시스템의 비용은 점차 하락하여 경쟁력이 크게 증가할 것이다. 이러한 시스템이 미래 전기 생산에 있어 큰 역할을 하게 될 것으로 기대된다"고 결론내렸다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』