나노총알 모양의 새로운 나노 광촉매 소재

식물 잎의 광합성을 모방하여 수소와 화학연료를 생산하는 인공광합성 기술은 미래 대체 에너지원을 개발한다는 의미에서 관심을 받고 있다.

한국연구재단은 용기중 교수·장현명 교수(포항공대), 이재성 교수(울산과학기술원) 공동연구팀이 인공광합성의 핵심기술인 새로운 나노 광촉매 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 것은 대표적인 광촉매 이산화티타늄의 결정구조 중 제3의 결정구조인 브루카이트(Brookite)로, 이는 자연적으로 매우 희귀하고, 합성이 어려운 특징이 있어 연구가 거의 이루어지지 않았다. 연구팀은 간단한 용액반응을 이용하여 독창적인 구조의 브루카이트 나노소재를 성공적으로 합성할 수 있었다. 또한 합성된 나노총알 모양의 브루카이트 광촉매를 수소 도핑하여 전기적 특성을 향상시켰으며, 이를 통해 인공광합성 광전극으로서 매우 우수한 특성을 나타냄을 밝혀냈다.

특히 기판 위에 나노광촉매를 직접 합성함으로써 광촉매의 회수가 쉽도록 하고, 전극소재로의 활용이 매우 편리하며, 지금까지 많이 연구되지 않은 새로운 결정구조의 나노 광촉매를 개발했다는 점에서 활용의 폭을 넓혔다. 

용기중 교수는 “이 연구 성과는 새로운 나노 광촉매를 개발할 수 있는 원천기술을 개발한 것이다. 친환경적으로 유해물 분해가 가능하고, 회수가 쉽기 때문에 향후 인공광합성을 통한 수소 생산 및 화학연료 제조 등 대체에너지 생산 및 친환경 분야 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구를 통해서 새롭게 합성된 브루카이트 나노 광촉매는 인공광합성을 통한 수소생산 효율을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 또한 그 동안 거의 연구되지 않았던 이산화티타늄의 제3의 결정구조를 단결정의 고품질 나노소재로 합성하고 최초로 광전류를 측정하여 물질의 특성을 밝혔다는데 학술적 의의가 높다. 인공광합성 외에 브루카이트 나노 광촉매는 오염물질 분해 등 다양한 친환경 분야에도 활용가능성이 높을 것으로 기대된다.

이 연구성과는 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행되었으며, 국제적인 학술지 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 10월 26일자에 게재되었다.

디지털 서지 카운터

온도라벨 전문기업 (주)삼광코포레이션(www.thermolabel.com)이 서지를 가시적으로 표현할 수 있는 서지인디케이터와, 서지가 흐른 횟수까지 체크할 수 있는 디지털 서지 카운터를 소개했다.

동사의 서지인디케이터는 설비의 뇌격 검증 및 관측용으로써, 접지선을 절단하지 않고 간편하게 설치할 수 있는 것이 특징으로, 별도의 전원 없이 사용이 가능하며, 점검·보수가 필요 없다.

서지인디케이터의 동작원리는 이러하다. 접지선에 뇌격 전류가 흐르면 주위에 자속이 발생해 접지선에 부착된 표시기의 코일부에 전류가 유도되고, 해당 전류에서 발생되는 에너지로 인해 발화부가 점화되며 내장된 화약이 폭발, 표시부에 안료가 분무되어 뇌격 전류의 흐름을 표시한다.

한편 서지의 횟수까지 체크할 수 있는 디지털 서지 카운터는 (주)삼광코포레이션의 최신제품이다.

서지를 한 번 체크하고 나면 새로 교체해야 되는 서지인디케이터의 불편을 개선한 이 디지털 서지 카운터는 10년 이상 사용이 가능하고, 여러 번 서지를 체크한 뒤 리셋(Reset)할 수 있는 기능도 적용됐다.

이와 관련해 (주)삼광코포레이션의 김성진 대표이사는 “지난해 일본에서 개최된 대규모 전력 전시회에서 처음 소개된 이 디지털 서지 카운터는 당시 개발단계였음에도 불구하고 많은 바이어들의 눈길을 사로잡았다”라며 제품의 혁신성에 대해 소개했다.

글로벌 에너지관리 및 자동화 전문기업 슈나이더 일렉트릭(한국 대표: 김경록)은 기업의 프로세스 디자인과 시뮬레이션 그리고 트레이닝 및 최적화 시스템을 위한 새로운 클라우드 소프트웨어 플랫폼인 심싸이 온라인(SimSci Online)을 출시한다고 밝혔다. 새로 출시된 심싸이 온라인은 업계 최초로 프로세스 디자인 및 엔지니어링 소프트웨어를 서비스 형태로 제공한다.

슈나이더 일렉트릭의 심싸이 온라인은 어떤 기기에서도 기존의 설치 솔루션과 동일한 고성능의 시뮬레이션 소프트웨어를 제공한다. 또한 플랫폼 방식으로 기존 설계 및 엔지니어링 정보를 클라우드에 저장할 수 있도록 지원해, 기업의 효율성과 지속가능성, 연결성을 증진한다. 이를 바탕으로 사용자에게 보다 큰 가용성을 제공하며, 합리적인 가격으로 기업의 투자수익률(ROI) 또한 높인다. 특히 심싸이 온라인은 오직 사용 시간에 대한 요금만을 부과하기 때문에, 소프트웨어를 지속적으로 사용하지 않는 작은 기업에게 매우 합리적이다.

심싸이 온라인에 대한 특징은 아래와 같다:

- 편리한 접근성: 인터넷 연결을 통해 언제 어디서나 접근이 가능하다.

- 향상된 가용성: 시스템 유지 보수 조건이 없으며, 사용자의 추가적인 요구에 따라 뛰어난 확장성을 제공한다.

- 낮은 유지/보유 비용: 기업 및 프로젝트의 요구에 따라 항상 최신 버전을 지원해, IT 유지관리와 관련된 비용이 없다.

슈나이더 일렉트릭의 디자인, 시뮬레이션 및 최적화 사업부의 담당대표인 토비아스 셸레(Tobias Scheele)는 “많은 고객들은 여러가지 버전의 소프트웨어를 관리하는 것에 어려움을 겪고 있다. 시뮬레이션 기능을 클라우드에 적용한 심싸이 온라인을 통해, 고객들은 필요에 따라 우리의 시뮬레이션을 언제 어디서나 사용하며 그 혜택을 누릴 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

심싸이 온라인 라인업 중 가장 먼저 출시되는 제품은 심싸이 단심 온라인(SimSci DYNSIM Online)이며, 이는 투자 비용을 감소하고 공정 수율을 개선하는 포괄적인 프로세스 시뮬레이터이다. 심싸이 DYNSIM 온라인의 공식 출시는 2016년 말이며, 추가적인 응용 프로그램의 출시는 2017년에 이루어질 예정이다.

다수의 식물 조류세포를 삽입하기 위한 기판으로, 실리콘을 기반으로 한 나노 전극 어레이를 제작함. 실리콘 기판에 포토리소그라피 공정을 이용해 나노입자가 들어갈 수 있는 PR 패턴을 제작하고, 거기에 실리카 나노입자를 채워넣어 배열된 나노입자 어레이를 제작함. 이어서 DRIE 공정과 그 후 공정을 통해 나노 전극 어레이를 제작함.

미래창조과학부는 식물세포의 광합성 과정에서 생성된 광합성 전자를 추출하는 나노전극 시스템을 개발하여 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발했다고 밝혔다.
연세대학교 류원형 교수 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌프론티어사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스에 9월 14일자로 게재되었다.

광합성은 녹색식물이나 생물이 빛을 이용하여 양분을 스스로 만드는 과정으로써 식물세포는 외부의 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 원료로 산소와 포도당과 같은 유기 양분을 만든다. 이러한 광합성 작용으로 식물세포는 태양광 에너지를 100%에 가까운 효율로 전기화학적 에너지로 변환시킨다. 이와 같은 광합성 과정의 높은 에너지 변환 효율을 전기 에너지 추출에 이용하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.

연구팀은 이전 연구에서 원자력 현미경에 부착된 나노 전극을 식물세포 안으로 삽입하여 광합성 과정 중 전류 추출이 가능함을 보여주었다. 그러나 대상이 단일 식물세포로 국한이 되어 있어, 얻을 수 있는 전류의 양이 현저히 적었으며 실험 조건이 까다로워 실용화가 어려운 기술이었다.

이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포 자체를 이용하여 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성 기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극 시스템을 개발했다.
연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘 기반의 나노 스케일 전극 기판을 제작하였다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입이 되어, 다수의 식물세포로부터 광합성 전자를 일괄 추출할 수 있다. 이는 향후 넓은 면적으로 제작된 전극을 이용한 대량 광합성 전자 추출 시스템을 만들 수 있는 기반을 마련한 셈이다.

또한 살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포 환경이 그대로 유지가 되어, 추출 과정 중 광합성 기능이 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 초기 전류 추출 시 효율이 장시간 동안 유지된다는 것이다. 또한 전기화학적 매개체가 별도로 필요하지 않아 전자추출 효율이 높아졌다.

한전 전력연구원이 한국중부발전과 공동으로 보령화력본부 8호기에 설치한 국내 최대 규모의 ‘습식 이산화탄소(CO2) 포집플랜트’의 3,000시간 장기연속운전에 성공했다.

전력연구원은 발전소 온실가스 배출을 줄이기 위해 2000년 초반부터 화력발전소, 제철소, 그리고 시멘트산업 등에 적용 가능한 CO2 포집기술을 개발하여, 한국중부발전 보령화력본부와 한국남부발전 하동화력본부에서 국내 최대 규모인 10㎿ 습식 및 건식 CO2 포집 실증플랜트를 공동운영 중으로 전력연구원이 독자개발한 CO2 습식흡수제(KoSol)는 에너지 소비율에서 세계 최고 수준의 성능을 확보하고 있다.

장기연속운전에 성공한 10㎿급 습식 CO2 포집 플랜트는 연간 약 7만 톤 정도의 CO2를 포집할 수 있는 규모로, 화력발전소에 국내 최초로 적용된 실증급 파일럿 설비로서, 이번 시험은 산업통상자원부의 에너지기술개발사업으로 한국전력공사, 한국중부발전 등 발전 5사, 대림산업, 포스코건설, 한국전력기술, 하이테크엔지니어링, 한국특수가스 등이 공동으로 수행한 ‘10㎿급 연소후 습식아민 CO2 포집기술 상용 패키지 개발’ 사업을 통해 달성됐다.

장기연속운전 시험결과 90% 이상의 포집효율과 상용흡수제 대비 에너지 소비량이 35% 저감된 것으로 나타났으며, 일일 180톤 이상의 CO2를 안정적으로 포집하는 세계 최고 수준의 성능을 보임에 따라 독자개발 습식 CO2 포집기술의 안전성과 신뢰성을 확보해 100~500㎿ 규모의 상용설비로의 격상을 위한 기반을 마련했다.

전력연구원은 향후 지속적인 신 흡수제 개발 및 공정 업그레이드를 통해 포집설비 성능을 향상하고, CO2 포집, 활용, 저장 등 전주기에 걸친 연구 및 실증사업을 적극 추진할 예정이며, 이를 바탕으로 국내 탄소 포집, 전환 및 저장(CCUS) 분야에서 선도적 역할을 할 것으로 기대된다.

전력연구원은 이번 화력발전소에 적용한 10㎿급 CO2 포집설비 장기연속운전 성공을 계기로 시멘트, 철강 및 석유화학 등 대량으로 CO2를 배출하는 공장에 확대 적용하여 우리나라의 온실가스 감축목표량 달성에 기여하고 에너지신산업 창출의 계기로 적극 활용해 나갈 계획이다. 또한 포집한 CO2를 활용하여 고부가 화합물로 바꾸는 CO2 자원화 기술개발뿐만 아니라 내년부터는 CO2를 압축, 액화하여 정밀용접, 농작물 재배, 드라이아이스, 탄산음료 제조 등의 다양한 분야에 공급할 예정이다.

신기현 교수 연구팀이 적외선 광소결 기법을 이용하여 기존 롤투롤 그라비어 공정에서 은(銀)전극의 전도성을 급격하게 향상시키는 기술을 구현했다.

건국대학교 공과대학 기계설계학과 신기현 교수 연구팀(유연디스플레이연속공정연구소)이 적외선 광소결 기법을 이용하여 기존 롤투롤(Roll to Roll) 그라비어 공정에서 은(銀)전극의 전도성을 급격하게 향상시키는 기술을 구현해 인쇄전자 산업 기술에 적극 활용될 수 있게 됐다.

이번 연구는 건국대가 2012년부터 2016년까지 독일 캠니츠공과대학(Chemnitz University of Technology)과 함께 수행하고 있는 한-독 대학 간 연계프로그램(과학기술국제화사업, 미래창조과학부 지원)의 주요 성과다.

이번 연구결과는 신기현 교수 연구팀과 캠니츠공과대학의 바우먼(R.R. Baumann) 교수 연구 그룹의 강현규 박사(건국대 96학번)가 저자로 참여해 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)이 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)와 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저널 오브 머터리얼즈 케미스트리(Journal of Materials Chemistry C)에 각각 2016년 10월 7일과 9월 19일자로 게재됐다.

기존 인쇄 전극 소결 기술은 열풍, 적외선, 광펄스, 자외선, 레이저 등의 공정을 이용해 전기전도성을 향상시켜왔으며 이번 연구에서는 이 기술 중 가격 및 효율 관점으로 유용한 적외선 모듈을 적용하여 기존 롤투롤 그라비어 인쇄 공정에 적용해 수십 분이 소요되는 공정을 10초 이내로 단축시켰다.

건국대 연구팀은 은 파티클의 종류에 따라 적외선 에너지가 미치는 영향을 광 에너지 관점의 이론적 접근 및 실험계획법 기반의 통계적 기법을 활용해 분석했으며, 적용된 소결 공정이 필름을 기반으로 하는 롤투롤 공정에 적용되었을 때 발생하는 웹의 장력 변화와의 관계성을 규명했다.

또 적용된 적외선 장비의 효용성은 기존 롤투롤 기반 공정과 비교했을 때 소결 시간, 소결 성능, 그리고 양산 관점에서 매우 우수한 결과임을 확인했다.

건국대학교와 독일 캠니츠공과대학은 최근 10여 년 동안 매년 단기 연구원 교류, 국제 공동 세미나, 국제 학술활동, 박사후연구원 파견 등을 수행했으며 롤투롤 기술 및 인쇄 전자 분야에서 글로벌 파트너로 긴밀한 협력관계를 유지해왔다.

ESS는 신재생에너지의 급격한 출력변동을 완화하여 전력품질을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 여름과 겨울철에는 잉여전력을 저장해 두었다가 전력수요가 높을 때 저장된 전원을 활용할 수 있다.

한전 전력연구원은 급격한 출력 변동을 갖는 신재생에너지의 연계 운전을 위한 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)인 다기능 운영 모의시스템을 개발했다.

이번에 개발한 다기능 ESS 운영 모의시스템은 신재생 연계 운전, 부하관리, 주파수제어 등 다양한 운전 알고리즘을 탑재했으며, 전력시스템의 상황 및 경제성 분석을 통한 ESS의 최적 운영방안 제시도 가능하다.

본 운영 모의시스템은 첨두부하 제어, 주파수 조정, 신재생발전 출력안정화 제어 등 기존 운영시스템에서 개별적으로 운영되는 단점을 개선하여 각각의 기능을 통합함으로써 ESS의 충·방전을 통합 제어하고 감시하여 시스템의 운영효율성을 획기적으로 증대했다.

ESS의 다양한 목적 및 방식 등 적용분야에 맞게 대응할 수 있도록 수십 ms 이내 제어는 물론, 수 분에서 시간 단위의 출력 변동 제한도 가능하다.

또한, 배터리 성능 등을 고려하여 주파수 제어 운전, 풍력출력 증감발 제한운전, 부하이전 운전, 수요관리시장 참여운전, 예비력 지원 운전 등을 수행할 수 있어 ESS의 다양한 운용기술 확보가 가능해졌다.

전력연구원은 작년부터 고창전력시험센터내의 5,000㎡ 부지에 28㎿급 ESS 실증시험장을 구축 중에 있으며, 내년에 시험장 구축이 완료되면 2018년까지 본 운영 모의시스템의 실증시험을 수행할 계획이다.

28㎿급 ESS 실증시험장은 국내 6개의 ESS 제작사(LS산전, LG전자, 인텍FA, 우진산전, EN테크놀로지, 플라스포)가 4㎿급 PCS 7개를 제작하여 PCS(Power Conditioning System, 전력변환장치) 컨테이너에 구축하는 한편 배터리 컨테이너에는 인셀, 탑전지, 세방전지 등에서 개발한 리튬배터리 시스템 총 17MWh가 구축될 예정이다.

전력연구원은 이번에 개발된 ESS 운영 모의시스템을 실증시험장의 제어동에 탑재하여 28㎿ ESS와 연동하여 운영하고, 실증시험을 통해 다양한 시나리오 환경에서의 알고리즘 안정성을 확보하고 ESS의 전력변환장치 및 배터리 연계 실증으로 다양한 사업모델 기반 기술을 확보할 예정이다.

향후 본 ESS 운영시스템은 2.5GW 서남해 해상풍력단지와 연계하여 운영할 예정이며, 이를 통해 서남해 해상풍력의 출력변동에 따른 전력공급 신뢰도 저하를 방지하고 주파수 조정을 통한 예비력 확보에 기여할 것으로 보인다.

글로벌 에너지관리 및 자동화 전문기업 슈나이더 일렉트릭(한국 대표: 김경록)이 리튬이온전지 분야 세계 1위인 삼성 SDI와 협력하여, 리튬이온배터리 3상 무정전전원공급장치(UPS: Uninterrupted Power Supply)를 업계 최초로 도입한다고 밝혔다.

이를 통해 슈나이더 일렉트릭은 고객들이 다음과 같은 혜택을 누릴 수 있게 됐다고 밝혔다.

-   공간 및 무게 감소를 통한 공간 효율 극대화: 리튬이온배터리는 에너지 집적도가 높아 UPS 설치에 필요한 공간을 기존 납축배터리 대비 3분의 1 이상 줄일 수 있다.

-    UPS 배터리 수명 연장 및 유지 비용 절감: 리튬이온배터리는 수명이 길어 배터리 교체에 대한 부담과 유지 비용을 크게 낮춰준다.

-   친환경 배터리: 리튬이온배터리는 제품 제작 시 납, 카드뮴과 같은 유해물질이 사용되지 않기 때문에 더욱 친환경적이다.

슈나이더 일렉트릭의 페드로 로브레도(Pedro Robred) Secure Power System 부사장은 “납축전지가 낮은 가격과 높은 신뢰도로 아직까지 UPS 에너지 저장 기술 시장에서 지배적인 위치를 차지하고는 있지만, 리튬이온전지가 최근 고객들에게 매력적인 옵션으로 떠오르고 있다”며 리튬이온전지는 납축전지에 비해 상대적으로 초기 비용이 높지만, 최근 몇 년 간 그 가격 차가 크게 줄었으며, 리튬이온전지 사용으로 설계수명 동안 총소유비용(TCO)을 10%에서 최대 40%까지도 절약할 수 있다”고 말했다.

리튬이온배터리 UPS는 현재 슈나이더 일렉트릭의 메가와트급 UPS Symmetra MW와 Galaxy 7000, Galaxy VM에서 선택 가능하다. 내년에도 리튬이온배터리 옵션이 적용된 3상 UPS 제품 라인이 추가적으로 출시될 예정이다.