중국 연구진은 매우 안정적인 구리 나노와이어 전도체를 개발하는데 성공했다.

대부분의 프린트되는 전자장치는 전도성 재료를 가진 잉크에 의존한다. 은 나노와이어의 뛰어난 전도성과 특유의 유연성 때문에 그들은 유연하고 신축성을 가진 전극을 제조할 수 있게 한다.

구리는 은과 같은 다른 전극에 비해서 매우 저렴하고 더 풍부하게 존재하기 때문에, 제조 비용을 매우 절감한다. 이런 장점에도 불구하고, 구리 나노와이어 전도체는 유연하고 신축성이 있는 차세대 광전자장치에 적용하는데 심각한 문제가 존재한다. 즉, 그들은 은과 거의 유사한 전도성을 가지지만, 이런 전도성은 안정적이지 않다.

이번 연구진은 산화, 굽힘, 스트레칭, 비틀림 등에 매우 높은 안정성을 가진 전도성 구리 나노와이어 탄성중합체(elastomer)를 개발했다. 이 물질은 플렉서블 및 신축 가능한 광전자장치의 전극으로서 매우 유망할 것이다.

“이전에 제안된 2단계 방법과 대조적으로, 우리는 Cu4Ni 합금 쉘(shell)을 가진 매우 안정적이고 전도성을 가진 구리 나노와이어를 합성할 수 있는 새로운 방법을 개발했다”고 남경이공대학(Nanjing University of Science and Technology)의 Haibo Zeng 교수가 말했다. “이러한 연속 성장 및 in situ 표면 합금, 매우 높은 결정성을 가진 합금 쉘, 분명한 계면, 50 μm 이상의 길이, 부드러운 표면 때문에 그들은 높은 안정성을 달성할 수 있었다.” 이번 연구팀은 저널 Nano Letters에 이 연구결과를 게재했다.

80% 투명도에서 62.4ohm/sq의 낮은 저항을 가진 나노와이어-탄성중합체 복합물의 성능은 ITO/PET 플렉서블 전극에서 상용화된 것보다 훨씬 더 우수하다. 또한 순수한 구리 나노와이어와 비교했을 때, 이번 연구진은 Cu@Cu4Ni 나노와이어 전극의 실제 수명이 1,200 일 이상일 것이라고 추정했다.

“이것은 지금까지 전극을 기반으로 하는 구리 나노와이어에서 보고된 것 중에서 가장 긴 안정화 기간이고, 다양한 플렉서블 장치의 요구를 충족한다”고 Jizhong Song은 말했다. “전도성 회로로서 이런 구리 나노와이어 탄성중합체를 가진 OLED의 성능과 전도성은 600 주기의 굽힘, 스트레칭, 비틀림 테스트 동안에 분명한 저하를 보이지 않았다”고 Song은 덧붙였다. 

실제 적용에서 플렉서블 및 신축성을 가진 광전자장치를 위한 투명 전도성 전극으로서 이런 구리 나노와이어를 사용하는데 가장 큰 문제점은 롤-투-롤(roll-to-roll), 블레이드 코팅 제조와 같은 용액 기반의 산업용 프로세스와 호환될 수 있게 만드는 것이다. 이번 연구진에 따르면, 이것은 나노와이어 잉크의 점도와 표면 인장을 최적화함으로써 해결될 수 있을 것이다.

이번 연구진은 전도성 Cu@Cu-Ni 나노와이어 탄성중합체가 용액 기반의 플렉서블 및 신축성을 가진 유기 광발광 다이오드와 태양전지에 적용하는 것 이외에도 착용 가능한 전자장치, 로봇 피부, 이식형 의료용 기기, 스마트 전기변색 윈도(electrochromic window)와 같은 다른 분야에도 큰 잠재력을 가지고 있다고 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Superstable Transparent Conductive Cu@Cu4Ni Nanowire Elastomer Composites against Oxidation, Bending, Stretching, and Twisting for Flexible and Stretchable Optoelectronics”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl502647k).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

미 오레곤 주립대학(Oregon State University)의 화학자 및 공학자들은 대기중에서 온실효과(Greenhouse Effect)를 유발하는 이산화탄소(Carbon Dioxide) 일부를 포획한 후 에너지 저장(Energy Storage) 제품에 사용할 수 있는 고부가 물질로 만들기 위한 새로운 방안을 도출하였다. 과학자들은 나노기술의 혁신이 지구 온난화 문제를 모두 해결할 만큼의 충분한 탄소를 흡수할 수는 없다고 말한다. 그러나 나노기술을 통해 환경친화적이면서 비교적 경제적인 방안을 확보할 수 있다. 예를 들어, 나노기술은 에너지를 저장하였다가 빠르게 배출할 수 있는 장치인 슈퍼캐패시터(Supercapacitor) 내에 활용이 가능한 나노기공 그래핀(Nanoporous Graphene)을 만드는데 활용된다. 이러한 장치들은 중공업 분야로부터 소비자전자제품까지 다양한 분야에서 활용되고 있다.

연구진은 화학반응 개발을 통해 나노기공 그래핀을 최종 결과물로 확보하였다. 그래핀은 원자 및 결정 구조로 정렬된 탄소 형태로 그래핀 1g당 약 1,900 ㎡의 큰 비표면적(Specific Surface Area)을 갖고 있다. 이러한 이유로 그래핀의 전기전도도(Electrical Conductivity)는 상업용 슈퍼캐패시터를 만들기 위해 일반적으로 사용되는 활성탄(Activated Carbon) 대비 10배 이상 높다. 이번 연구논문의 주 저자이자 OSU 과학대학의 Xiulei (David) Ji 교수는 "나노기공의 그래핀을 제작할 수 있는 많은 방법들이 있지만 연구진이 개발한 접근방법은 훨씬 빠르며, 환경에 대한 영향이 적고 비용도 절감할 수 있다"고 말한다. 또한 그는 "연구진이 제조한 제품은 높은 표면적과 전도도를 보여주고 있으며, 상업용 활성탄소에 비교할만한 고밀도를 갖고 있다는 점에서 중요하다 말할 수 있다. 그리고 사용되는 탄소 자원은 지속가능한 이산화탄소이다. 따라서 에너지 저장 제품의 가치를 높이면서 풍부한 이산화탄소를 활용할 수 있다는 장점이 있다"고 설명하였다.

Ji 교수는 자신들의 공정이 제품에 사용되는 물질이 저렴하고 제조과정은 간단하기 때문에 상업화 규모 생산으로 확장할 수 있는 가능성이 충분하다고 말한다. 이번 연구의 화학반응에는 마그네슘(Magnesium)과 아연 금속(Zinc Metal)을 혼합하는 것이 포함되어 있으며, 이는 최초로 발견된 조합이기도 하다. 이 혼합물을 이산화탄소 흐름 하에서 고온까지 가열하면 금속열 지배반응(Controlled Metallothermic Reaction)이 일어난다. 이 반응을 통해 각 원소들은 금속산화물과 나노기공 그래핀으로 변환된다. 그래핀은 강도가 높으면서도 열과 전기를 효과적으로 전도할 수 있다. 그리고 금속산화물은 산업공정을 보다 효율적으로 만드는데 재활용될 수 있다.

나노기공 그래핀을 만드는 다른 방법들은 부식성과 독성이 있는 화학물질을 사용하기 때문에 대규모 상업화 단계까지 확장하는데 어려움이 있다. Ji 교수는 “대부분의 상업용 탄소 슈퍼캐패시터는 활성탄을 전극으로 사용하고 있으나 이들의 전기전도도는 매우 낮다. 연구진은 보다 많은 에너지를 전달하도록 빠르게 에너지를 저장했다가 사용할 수 있게 만들기 원했다. 그리고 전도성이 우수한 나노기공 그래핀은 이러한 목적에 부합한다고 볼 수 있다. 나노기공 그래핀은 강력한 슈퍼캐패시터를 만드는데 중요한 문제를 해결할 수 있다”고 밝혔다.

슈퍼캐패시터는 에너지 저장 장치의 일종이나 배터리와 비교했을 때 더 빠르게 충전이 가능하면서 많은 양의 전기를 저장할 수 있다. 이들은 가전제품에 활용되고 있으며, 크래인부터 지게차까지 다양한 장치를 이용하는 중공업 분야에서도 적용될 수 있다. 또한 브레이크(Braking) 작동과 같이 포획하지 않으면 소멸되는 에너지를 확보하는데 도움을 준다. 그리고 이들의 저장 능력을 활용하여 풍력에너지와 같은 대체 에너지 시스템에서 발생하는 전력 흐름을 원할하게 해 줄 수 있다. 제세동기, 항공기 비상슬라이드 개방 등의 활용분야에 전력을 공급할 수 있으며, 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Automobile)의 효율을 크게 개선하는데에도 기여할 수 있으며, 나노기공 탄소물질을 환경 필터로 활용하여 가스의 오염물을 흡수하거나 수처리에 활용될 수 있다. 그렇지만 이들의 사용이 지속 증가하는데 반해 높은 비용에 따른 제약이 존재해왔다.

OSU 과학대학(OSU College of Science), OSU 공과대학(College of Engineering), 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory), 사우스플로리다 대학(University of South Florida), 국립에너지기술연구소(National Energy Technology Laboratory, NETL)로 이루어진 연구진은 OSU로부터 지원을 받아 이번 연구를 수행하였으며 Nano Energy 저널에 연구결과를 발표하였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

올해로 14번째를 맞은 '공작기계인의 날' 행사가 12월 4일(목) 여의도 콘래드 호텔에서 펼쳐졌다.

한국공작기계산업협회의 주최로 개최된 이번 행사는 공작기계 산업의 한해를 되짚어보는 동시에 미래 발전방향을 모색해보는 뜻깊은 행사로 2001년부터 매년 열리고 있다.

이날 역시 2014 국내외 어려운 여건 속에서도 묵묵히 공작기계 산업의 발전을 위해 기여해온 산학연 관계자들은 한 해 동안의 어려움을 잊고 재도약을 다짐하면서 2015년의 활약을 결의했다. 특히 참석자들은 "올해 한국공작기계산업협회의 이전과 더불어 이뤄진 대대적인 변화를 발판으로 새롭게 공작기계 산업의 돌풍을 이끌겠다"며 의지를 전하기도 했다.

올 한해를 마무리 하는 행사답게 주최 측에서는 다양한 공연과 경품 행사 등을 마련해 공작기계인들을 맞이했으며, 산업 현장에서 바쁜 나날을 보내느라 한자리에 모이기 어려웠던 참석자들은 다같이 인사를 나누며 시종일관 화기애애한 분위기를 이어갔다.

주죄 측은 "올해는 SIMTOS 행사와 협회 이전 등을 성공적으로 치러내면서 새로운 희망을 발견한 한해이기도 하다"며 "이러한 분위기가 2015년 공작기계산업의 발전과 2016년 SIMTOS의 성공도 함께 이끌어줄 것으로 믿는다"고 행사의 의미를 전했다.

올해로 14번째를 맞은 '공작기계인의 날' 행사가 12월 4일(목) 여의도 콘래드 호텔에서 펼쳐졌다.

한국공작기계산업협회의 주최로 개최된 이번 행사는 공작기계 산업의 한해를 되짚어보는 동시에 미래 발전방향을 모색해보는 뜻깊은 행사로 2001년부터 매년 열리고 있다.

이날 역시 2014 국내외 어려운 여건 속에서도 묵묵히 공작기계 산업의 발전을 위해 기여해온 산학연 관계자들은 한 해 동안의 어려움을 잊고 재도약을 다짐하면서 2015년의 활약을 결의했다. 특히 참석자들은 "올해 한국공작기계산업협회의 이전과 더불어 이뤄진 대대적인 변화를 발판으로 새롭게 공작기계 산업의 돌풍을 이끌겠다"며 의지를 전하기도 했다.

올 한해를 마무리 하는 행사답게 주최 측에서는 다양한 공연과 경품 행사 등을 마련해 공작기계인들을 맞이했으며, 산업 현장에서 바쁜 나날을 보내느라 한자리에 모이기 어려웠던 참석자들은 다같이 인사를 나누며 시종일관 화기애애한 분위기를 이어갔다.

주죄 측은 "올해는 SIMTOS 행사와 협회 이전 등을 성공적으로 치러내면서 새로운 희망을 발견한 한해이기도 하다"며 "이러한 분위기가 2015년 공작기계산업의 발전과 2016년 SIMTOS의 성공도 함께 이끌어줄 것으로 믿는다"고 행사의 의미를 전했다.

리튬의 수지상 결정(lithium dendrite)의 성장을 억제하는 것은, 리튬-금속 전지 개발을 위해 해결해야 할 가장 중요한 문제점 중 하나이다. 리튬-금속 전지는 리튬-황(lithium-sulfur) 혹은 리튬-공기(lithium-air)와 같은 리튬-금속 전극을 사용하는 고에너지 밀도를 갖는 전지이다. PNNL(Pacific Northwest National Laboratory) 과학자들은 자가정렬되며 고도로 밀집된 형태의 나노막대 구조를 갖는 수지상 결정이 없는 리튬 필름을 처음으로 성장시키는데 성공하였다. 본 연구결과는 Nano Letters 지에 게재되어 있다.

리튬 금속은 이론용량이 3,860mAh/g으로 높기 때문에 고용량 2차전지를 위한 전극(anode) 물질로 매우 유망하며, 리튬-이온 전지에서 흑연 전극의 372 mAh/g의 경우보다 10배 정도 크다. 그러나 사이클링(cycling) 동안 전해질 분해와 리튬 금속 전극 표면에서의 수지상 결정의 형성으로 인해 안정성과 내구성에 문제를 야기하여 왔다. 이에 안전하고 내구성이 향상된 리튬-금속 전극 및/혹은 전해질을 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다.

수지상 결정의 형성을 억제하려는 연구의 대부분은 크게 다음 세 가지로 분류된다.

1) 용매 염(solvent salts) 및 전해질 첨가제의 최적화를 통해, 리튬 전극 표면에서 고체 전해질 간기(solid electrolyte interphase, SEI)의 균일성과 안정성을 향상. 그러나 SEI만으로는 약한 기계적 강도로 인해 수지상 결정의 형성 및 성장을 완벽히 제거할 수는 없다.
2) 전해질에 다른 염 혹은 무기 화합물을 첨가하는 과정을 포함하는 전착(electrodeposition) 동안 리튬 합금 및 리튬 이외 금속의 합금 제조. 그러나 이런 금속 양이온 첨가제의 대부분은 리튬의 전착 과정 동안 형성되는 합금에 의해 소비됨으로써, 리튬 수지상 결정의 형성 억제가 지속적으로 나타나지 않는다.
3) 수지상 결정 성장을 억제하기 위한 기계적 차단막의 사용. 그러나 이런 보호층이 수지상 결정의 침투를 효과적으로 억제하는 물리적 방어벽이 될 수는 있어도, 근본적으로 수지상 결정의 성장 메커니즘을 변화시키지는 못한다. 결과적으로, 다공성 리튬은 물리적 차단막 하부에서 형성되어, 리튬 전극에서의 임피던스(impedance)를 빠르게 증가시키고 수지상 결정과 관련된 단락(short) 없이도 전지에 손상을 야기할 수 있다.

PNNL 연구팀은 이전에 CsPF6 (cesium hexafluorophosphate)를 전해질 첨가제로 개발한 바 있으며, 이 물질은 리튬 수지상 결정의 형성을 억제하는 것으로 나타났다.

본 연구에서, 연구팀은 전착과 제거 사이클 동안 리튬 필름의 단면형태의 형성을 추가적으로 조사하였다. 전해질에서 Cs+ 및 다른 성분이 전기화학적 전착의 전압 프로파일에 미치는 영향과 리튬의 전착 이전에 구리 기질 상에 형성된 SEI의 화학적 특성에 미치는 영향도 체계적으로 조사하였다.

그 결과, CsPF6 첨가제 존재 하에서 명백히 밀집된 형태의 자가정렬된 나노막대로 구성된 리튬 필름이 성장되는 것으로 나타났다. 또한 0.9~1.2V에서 카보네이트 용매의 환원성 분해 이전에, 약 2.05 V 정도에서 얇은 SEI가 구리 표면에 이미 형성됨이 밝혀졌다. 이 SEI 전구체의 품질은 전착될 리튬의 형태를 예측할 수 있도록 해 준다.

전기화학적으로 생성된 수지상 결정이 없는 리튬 필름의 내부 마이크로구조에 대한 새로운 지식과 리튬 전착에 대한 SEI 및 Cs+ 첨가제의 상승효과는, 과학자들로 하여금 이 분야에서 금속 리튬 전극(anode)를 설계하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

인류의 가장 큰 기술발전 중 하나는 종이 위에 단어를 프린팅하는 능력이었다. 이제, 테네시 대학교 녹스빌 캠퍼스의 엔지니어링 컬리지 조교수인 안밍 후(Anming Hu) 교수 덕분에, 기술 그 자체가 프린트되고 있다.

이 대학교 기계, 우주항공 및 바이오메디컬 공학과에 재직 중인 후(Hu) 교수는 종이 위에 회로를 프린팅하는 방법을 연구해 왔는데, 이 기술은 많은 장치의 비용 감소와 이동성 향상에 매우 영향을 미치게 될 것이다.

"당신이 원하는 회로를 디자인할 수 있고 그것을 프린팅하게 된다는 것은 더욱 반응성있는 디자인과 쉬운 제어 그리고 비용의 절감을 선물하게 될 것이다. 당신이 필요한 순간에 꼭 필요한 정확한 회로를 프린팅하는 능력은 많은 것의 혁명화를 가능케 한다"고 후(Hu) 교수는 말했다.

이 기술을 통해 가장 큰 발전이 가능한 분야 중의 하나는 제약분야이다.

현재, 수많은 사람이 의사에게서 정기적으로 검사를 받거나 의학적 시험을 해야 하는 질병이나 고통으로 고생하고 있다. 예를 들어, 당뇨병은 혈액 내의 당분 수준 시험을 위해 매일 손가락을 찔러야 한다.

방수성의 장벽 내에 밀봉된 종이 회로를 사용하게 되면, 같은 환자들에게 어느날 센서가 임플란트되어 당분 수준이 정상상태를 벗어날 때를 검지하고 그 상황에서 인슐린을 주입하도록 자체적으로 신호를 보내는 것이 가능해진다."자체적으로 전원을 가진 밀봉된 방수시스템을 가진다는 것은 의학적으로 많은 분야에서 문을 열게 된다. 지금 현재, 초점은 회로를 더 소형화시킬 수 있는 라인을 만드는 것"이라고 후(Hu) 교수는 말했다.

후(Hu) 교수가 연구 중인 시스템을 상상하는 가장 좋은 방법은 잉크젯 프린터를 생각하면 되는데, 잉크 카트리지를 액체형 금속을 제공하는 무엇으로 대체하는 것이다.후(Hu) 교수 연구팀은 표준적인 잉크젯 종이와 그 외 것에도 작동되도록 실현하기 이전에 그리고 다른 것보다 저렴해지도록 30가지 이상의 종이 형태에서 시험을 진행했다.

다른 한편으로, 그들이 사용하는 금속은 결코 일반적인 것이 아니다."우리는 나노와이어를 제작하기 위해 은을 사용한다. 은은 전기회로를 정상적인 방식으로 제작하는 것보다 훨씬 저렴하고 너무 빠르게 산화하는 경향을 가진 구리보다는 더 유지성이 우수하다"고 후(Hu) 교수는 말했다.

후(Hu) 교수 연구팀은, 최종 제품의 내구성 문제에 대한 의문을 해결하기 위해 높은 수준의 기능성은 유지하면서 종이 두께의 회로를 5,000회나 접었다.의학적으로 사용하는 것은 이러한 회로에 매일 영향을 주면서도, 그들이 가진 탄력성과 사용의 용이성은 어떤 전자장치에도 혜택을 줄 수 있다."이 기술의 전 세계적인 적용가능성은 장기적인 방식으로 개발을 이끌게 될 것이다. 지금 현재, 우리는 이러한 새로운 형태의 적층제조 메카닉스의 개선과 복합-노즐 방식의 프린팅에 대한 연구에 초점을 맞추게 될 것"이라고 후(Hu) 교수는 말했다.

이 연구는 이미 많은 주목을 받고 있으며, 미국 화학학회 저널인 [Applied Materials & Interfaces]에 발표된 연구팀의 논문을 포함하여 다른 과학 저널에서도 주목하고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

일본 연구진은 고체 속의 자유 전자의 특성을 측정할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

고체 속의 전자 상태는 색상과 전기 전도성과 같은 많은 재료 특성에 큰 영향을 끼친다. 그러나 전자들은 결정 속에 구속되어 있기 때문에, 전자의 양자 물리적 특성들을 조사하는 것은 매우 어렵다. 일본 리켄 신생물질 과학센터(RIKEN Center for Emergent Matter Science)의 Konstantin Bliokh와 Franco Nori는 투과 전자 현미경에서 형성된 소용돌이 전자빔을 사용함으로써 고체 속의 자유 전자 특성들을 측정하는데 최초로 성공했다.

자기장 속의 양자 전자 상태는 란다우 상태(Landau state)로 잘 알려져 있다. 고체 속에 이런 상태가 존재하는지를 관찰하기 위해서는 전자 전도성 실험으로 확인할 수 있지만, 결정 내의 전자 운동의 특성과 회전 역학을 직접적으로 관찰하는 것은 불가능하다.

란다우 상태들은 응집-물질 시스템뿐만 아니라 균일한 자기장 속의 자유 전자에서도 나타날 수 있다. 최근에, 이번 연구진은 란다우 상태가 소위 전자 소용돌이 빔의 비-회절 부분에서도 나타날 수 있다는 것을 제안했다. 란다우 모드의 방사상 및 방위각(소용돌이) 양자수(quantum numbers)는 그들의 특성과 발생을 결정한다.

이번 연구진은 자유 공간 속에 란다우 상태의 전자를 만들어서 그들의 상세한 특성들을 더 쉽게 관찰할 수 있는 실험을 진행했다. 이번 연구진은 자유 전자의 나노미터 크기의 소용돌이 빔을 제조하는데 투과 전자 현미경을 사용했다. 반경과 같은 소용돌이 빔의 매개변수는 외부 자기장이 인가했을 때의 란다우 상태와 일치하도록 설정되었다.

자기장 속의 전자의 회전 특성을 조사하기 위해서, 이번 연구진은 날카로운 모서리를 가진 빔의 일부를 절단했고, 소용돌이로 그들의 모서리를 이동시켰다. 이것은 양자 궤적의 구조 등의 전자의 내부 회전 동역학을 관찰할 수 있게 했다. 이 연구결과는 양자 전자들이 란다우 상태의 소용돌이 양자수에 의해서 결정된 3개의 서로 다른 각속도를 가진 회전들이 존재한다는 것을 밝혀내었다. 이것은 자기장 속의 고전적인 균일한 전자 회전과는 매우 대조적이지만 최근의 이론적 예측과는 일치하는 결과이다.

“가장 흥미로운 측면은 우리가 고체 없이 이런 전자 란다우 상태를 관찰했다는 것이 아니라 자기장 속의 양자 전자의 내부 회전 동역학이 고전적인 시나리오와 매우 다르다는 사실이다”라고 Bliokh가 말했다.

소용돌이 전자빔 기술은 란다우 상태의 근본적인 특성들에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. “우리는 양자 전자의 특성들을 최초로 측정했다”고 Nori가 설명했다. “이런 특성들은 고체가 무질서, 결함, 계면, 표면을 가지고 있기 때문에 벌크 재료 속에서는 관찰되지 않는다. 이런 특성들은 양자 역학의 매우 근본적인 수준에서 나타나고 다른 시스템에서도 동일하게 나타날 수 있다”고 Nori는 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Imaging the dynamics of free-electron Landau states”라는 제목으로 게재되었다(DOI: doi:10.1038/ncomms5586).

그림. 서로 다른 소용돌이 특성들(m)을 가진 전자 빔을 생성하는 투과 전자 현미경. 전자빔은 자기장(적색 화살표)에 의해서 관찰 면(흑색) 위에 초점을 맞추어진다. 평면(회색)은 서로 다른 각속도(ω)로 전자 궤적을 분석하기 위해서 전자빔의 일부를 절단하는데 사용된다.

 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

달을 탐사하는 장기적인 유인 우주 임무(manned long term exploratory missions)를 위한 폐기물 처리와 관리(waste treatment and management)는 보다 더 길어진 임무 수행을 달성하는 데 도전과제가 될 것이다. 이 연구는 우주선에서 사용될 수 있는 적합한 소화 기술(digester technologies)을 조사했다.

미국 플로리다 대학(UF; University of Florida) 소속의 연구진은 나사의 요청으로 분뇨를 포함한 인간 폐기물(human waste)을 로켓 연료(rocket fuel)로 전환하는 방안에 대하여 제안했다. 관련 연구의 제목은 “장기적인 달 탐사 임무를 수행하는 동안 폐기물 관리와 연료 생성을 위한 혐기성 소화조의 디자인과 운영(Design and operation of an anaerobic digester for waste management and fuel generation during long term lunar mission)”이다.

우주 프로그램을 위하여 개발된 다른 많은 것과 마찬가지로 이 공정이 갖는 장점은 동일한 공정이 지구에도 잘 적용될 수 있다는 점이라고 플로리다 대학 농업 및 생물 공학부 조교수인 Pratap Pullammanappallil은 밝혔다. 이 공정이 폐기물을 연료로 전환하는 캠퍼스, 마을 또는 어느 장소라도 사용될 수 있다고 Pullammanappallil은 덧붙였다.

2006년, 나사는 2019년부터 2024년 사이에 달 표면에 거주 시설을 구축하는 계획을 수립하기 시작했다. 나사의 달 거주 시설 구축 목표의 일환으로, 나사는 지구를 떠나는 우주선의 무게를 줄이는 방안을 모색하기를 원했다. 역사적으로 우주비행 동안 생성된 폐기물은 더 이상 사용되지 못했다. 지구 대기를 통과하여 되돌아올 때 연소시키는 우주 화물선 차량에 탑재될 때까지, 나사는 폐기물을 컨테이너 내부에 저장한다. 미래 장기적인 임무를 위하여, 지구로 귀환할 때까지 모든 폐기물을 우주선에 저장하는 것은 실용적인 방안이 아니다.

달 표면에 폐기하는 것 역시 바람직한 선택 사항이 아니다. 따라서 항공 우주국은 플로리다 대학 연구진의 시험적인 아이디어를 개발하는데 합의했다. Pullammanappallil과 석사 과정 학생인 Abhishek Dhoble은 이러한 도전 과제를 수락했다.

연구진은 먹지 않는 식품, 식품 포장재 및 분뇨 등으로부터 얼마나 많은 메탄(methane)이 생성될 수 있는지 규명하는데 주력했다고 Pullammanappallil은 밝혔다. 이 아이디어는 우리가 로켓을 진수하는데 충분한 연료를 만들 수 있는지 또는 우주여행에서 복귀하기 위하여 지구에서 출발했던 자체적인 무게와 모든 연료를 수송할 수 없는지 등을 확인하는 것이다. 메탄은 로켓을 추진하기 위하여 사용될 수 있다. 충분한 메탄이 달에서 귀환하기 위하여 생성될 수 있다고 연구진은 제안했다.

나사는 시뮬레이션된 식품 폐기물, 수건, 목욕 수건, 의복 및 포장 재료 등을 포함한 화학적으로 생성된 인간 폐기물의 모든 형태를 플로리다 연구진에 공급함으로써 연구를 시작했다. Pullammanappallil과 현재는 일리노이 대학 박사 과정인 Dhoble은 폐기물로부터 얼마나 많은 메탄이 생성되는지, 얼마나 빨리 생성되는지를 확인하기 위하여 실험실 테스트를 운영했다.

연구진의 결과는 인간 폐기물로부터 생성되는 병원균을 사멸시키고 폐기물에 포함되어 있는 유기물을 분해함으로써 메탄과 이산화탄소(carbon dioxide)의 혼합물인 바이오가스(biogas)를 생성하는 혐기성 소화조 공정(anaerobic digester process)의 생성으로 이어졌다. 지구를 기반으로 하는 응용에서, 생성된 연료는 난방, 전기 생산 또는 수송 등에 사용될 수 있다.

젓는 효과, 운영 온도, 유기물 부하 속도 및 메탄 수율과 메탄 생성 속도에 대한 반응기 디자인 등이 연구됐다. 동일한 소화 기간 동안, 혼합되지 않은 소화조는 혼합된 시스템보다 20~50% 더 많은 메탄을 생성했다.

고체로부터 분리된 수용성 성분과 처리된 고체가 별개로 구성된 2 단계 디자인은 1 단계 시스템보다 훨씬 더 신속한 역학 속도를 나타냈으며, 1 단계 시스템보다 1/2 더 적은 보유 시간에 목표한 메탄 발생량(methane potential)을 생성했다. 2 단계 시스템은 1 단계 시스템보다 6% 더 많은 고체를 분해했다. 2 단계 디자인은 1년 동안 달을 탐사하는 동안 4명 의 우주인에 대하여 맞춤 제작된 시제품 소화조를 기반으로 형성됐다.

또 소화조 공정은 폐기물로부터 연간 약 200갤런의 잡용수(non-potable water, 세정, 냉각, 세차, 청소 등의 목적으로 공급되는 물)를 생성할 수 있다. 이것은 유기물 분해(organic matter decomposes)로부터 배출되는 유기물 내에서 얻어진 물이다. 전기분해(electrolysis)를 통하여 이후 물은 수소와 산소로 분해되고, 우주인은 예비 시스템으로 산소를 호흡할 수 있다. 배출된 이산화탄소와 수소는 공정에서 메탄과 물로 전환될 수 있다고 연구진은 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』