센서·제어기기 전문 기업 오토닉스(www.autonics.co.kr)가 설정색과 검출색의 동일 유무로 색상을 판별하는 컬러마크센서 ‘BC 시리즈’를 새롭게 출시하며 포토센서 시장에서의 위상을 높일 예정이다.

BC 시리즈의 가장 큰 특징 중 하나는 바로 업계 최고 수준의 정확한 색상 판별을 실현한다는 것이다.

실제로 BC 시리즈는 백색광 투광 소자가 아닌 R(Red), G(Green), B(Blue)의 3색 투광 LED 광원을 적용함으로써 보다 정확한 색상 판별을 실현한다. 뿐만 아니라 측정 대상에서 반사된 파장의 빛을 R, G, B의 비율로 연산하여 총 12비트의 분해능으로 검출함으로써 업계 최고 수준의 약 99.2%의 정확한 판별을 실현한다.

더욱이 본 제품은, 색을 비율로 판별하는 C(Color) 모드와 색을 비율과 명암으로 판별하는 C+I(Color+Intensity) 모드를 지원하고, 각 검출 모드별 고감도, 보통, 저감도의 3단계 감도 설정이 가능해 적용 환경에 따라 사용자가 최적의 조건을 맞춰 사용할 수 있다.

또한 본 제품은 설정색을 확인할 수 있는 티칭 표시등과 동작표시등(적색 LED), 안정표시등(녹색 LED)을 통해 출력 및 입광 상태 확인도 용이하다.

이외에도 BC 시리즈는 W1.24×L6.7㎜의 직사각형 스팟 사이즈로 미소 물체 및 마크 색상 판별이 가능하다.

또한 IP67의 보호구조를 실현해 분진 및 세척, 살수 환경 등에서도 안심하고 사용할 수 있어 제품의 높은 활용도가 기대된다.

전력연구원은 2019년까지 출력밀도 2㎾/㎏ 이상, 에너지밀도 30Wh/㎏ 이상의 성능을 갖는 1,100V 그래핀 슈퍼커패시터의 모듈을 개발할 예정이다.

한국전력 전력연구원은 기존 활성탄 슈퍼커패시터보다 에너지 저장밀도를 5배까지 늘릴 수 있는 그래핀 슈퍼커패시터 개발에 착수했다고 밝혔다. 

그래핀은 탄소원자들이 벌집모양으로 연결되어 있는 단층 구조의 재료로 2004년 영국 맨체스터 대학에서 흑연에서 떼어내는데 성공했다. 비표면적이 2,630㎡/g으로 활성탄의 1500 ㎡/g에 비해 매우 크고 전기전도도와 기계적 강도 등도 크게 향상된 투명 재료이다.

또한 슈퍼커패시터는 비표면적이 큰 활성탄 전극을 사용하여 축전에너지양을 크게 증가시킨 축전지의 한 종류로, 100C(power/energy) 이상의 고속 충방전 가능, 반영구적인 수명, 낮은 임피던스 등의 우수한 특성이 있으나, 전력계통에서 에너지저장용으로 사용되기에는 상대적으로 낮은 에너지밀도를 가지고 있다.

이번에 착수한 연구과제를 통해 전력연구원은 2019년까지 출력밀도 2㎾/㎏ 이상, 에너지밀도 30Wh/㎏ 이상의 성능을 갖는 1,100V 그래핀 슈퍼커패시터의 모듈을 개발할 예정으로, 전력연구원 주관으로 한국과학기술원, 비나텍(주), 가천대학교와 공동으로 그래핀 슈퍼커패시터 핵심 요소기술과 실증용 모듈을 개발하게 된다.

본 과제는 기존 활성탄 슈퍼커패시터에 비해 5배 이상의 에너지 밀도를 갖는 그래핀 슈퍼커패시터를 '19년까지 개발하는 것을 목표로 하며, 개발이 완료되면 한전의 주파수조정용 ESS의 리튬이온전지(LiB)와 병행 운전을 통해 실증을 수행할 예정이다.

한편 한전은 지난 2015년부터 주파수조정용 ESS 구축사업을 진행하고 있으며, 총 184㎿ 설비의 상업운전을 시행하고 있다. 하지만 주파수조정용 ESS에 사용되는 리튬이온전지(LiB)는 높은 에너지밀도를 갖지만, 충방전 속도가 느리고 수명이 짧다.

그래핀 슈퍼커패시터는 고속 충방전이 가능하고 수명이 길어 현재 주파수 조정용 ESS에 사용되고 있는 LiB와 병행 운전 시 ESS의 수명을 최대 2배까지 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

전력연구원 연구 관계자는 “그래핀 슈퍼캐퍼시터는 리튬이온전지의 수명을 연장하기 위한 보완책이 될 뿐만 아니라 다양한 규격의 에너지저장장치 기술을 보유하게 되어 안정적이 계통 운영이 가능하게 될 것”이라고 밝혔다.

폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산/폴리아닐린 다층 박막 구조 (a)상호 박막 간에 발생하는 전하이동 (b)다층 박막의 계면 (c, d)상호 계면에서 물리·화학적 반응

한국연구재단은 조지영 교수(광주과학기술원) 연구팀이 신재생 에너지로 주목 받고 있는 유연한 열전소자의 전도율을 높여 전압을 높이는 새로운 제조법을 개발했다고 밝혔다.

신재생 에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로, 열전소자는 물질에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전자와 같은 이동자는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 되며 이렇게 열에 의해 이동하는 이동자로부터 물질은 전압을 발생시킨다.

유연한 열전소자는 버려지는 열을 전기로 바꿀 수 있어 신재생 에너지원으로 최근 각광받고 있다. 유연한 열전소자는 휘어지는 특성이 있어 의복 등 일상생활에서 착용이(Wearable) 가능하고 비닐하우스에서 활용할 수 있다. 하지만 유연한 열전소자는 전기 전도도가 낮아서 전기가 잘 전달되지 않는 문제점이 있다. 연구팀은 유기 열전 소자 전기전도도와 열을 전기 에너지로 바꾸는 전환율을 높게 하여 유기 다층 박막 구조를 도입으로써 열전소자 개발이 가능함을 제시했다.

연구팀은 전기 전도도와 제벡 계수 사이에 반비례 관계가 거의 없는 유연한 유기물을 도입하고, 더 나아가 다층으로 쌓아 전기 전도도를 높였다. 또한 세계 최초로 한 층이 20나노미터(nm) 이하인 서로 섞이지 않는 서로 다른 종류의 유기 박막을 번갈아가며 쌓은 유기 다층 박막을 도입하여 소자의 전기 전도도와 효율을 동시에 향상시켰다. 

조지영 교수는 “이번 연구 결과는 그 동안 효율 향상이 어려웠던 열전소자 효율을 유연한 다층 유기물 박막이라는 새로운 소자 구조 개발을 통해 향상시킨 것이다. 의복이나 비닐하우스처럼 유연하면서도 버려지는 작은 열에너지를 전기로 전환해서 다른 소자를 충전하도록 사용하는 하베스팅 기술에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

이번 연구결과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었고, 환경과학 분야 세계적인 학술지인 에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science) 8월 31일자에 게재되었으며 표지 논문으로 선정되었다. 

한미 국내 대기질 공동 조사 연구에 설치된 모습

지구온난화를 유발하는 물질이자 초미세먼지의 주요 성분으로 꼽히는 블랙카본(Black Carbon)을 레이저로 정밀하게 측정하는 국내 기술이 개발됐다.

환경부와 한국환경산업기술원은 대기 중 초미세먼지에 강한 레이저를 비출 때 발생하는 굴절률 변화를 감지해 블랙카본을 측정하는 기술이 개발됐다고 밝혔다.

블랙카본은 석탄, 석유와 같은 탄소함유 연료가 불완전 연소될 때 나오는 검은색 그을음이다. 자동차 매연이나 석탄을 태울 때 나오는 검은 연기 등에 포함되어 있다.

햇빛을 흡수하는 성질 때문에 이산화탄소에 이어 지구온난화에 영향을 미치는 주요 물질로 꼽히고 있으며, 일상생활에서는 가시거리를 짧게 하는 초미세먼지의 주요 성분이기도 하다.
이번에 개발된 기술은 필터 없이 레이저를 대기 중에 직접 쏘아서 블랙카본의 굴절률 변화를 측정하여 블랙카본의 양을 정밀하게 측정할 수 있다. 기존 기술은 필터 위에 쌓인 블랙카본의 광흡수를 측정했다.

필터를 이용해 측정하는 기존 장비와 비교했을 때 약 10배 정도 우수한 민감도를 갖고 있어서, 지구온난화 예측의 정밀도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 기존 필터 기반 방법은 필터 재질 때문에 측정값에 오차가 발생해 인위적인 보정과 수정과정을 거쳐야 했고, 사용한 필터는 교환해야 한다.

그러나 이번 기술은 레이저를 직접 대기 시료 중의 블랙카본에 쏘이면, 블랙카본이 레이저의 빛 에너지를 흡수하여 주변 공기를 가열하고 이에 따라 발생하는 굴절률의 변화를 감지하여 보정이나 수정작업 없이 블랙카본의 양을 정밀하게 측정할 수 있다. 필터 기반의 장비처럼 항상 필터를 교환해야 하는 번거로움도 없다.

이번 블랙카본 측정 기술은 환경부와 한국환경산업기술원의 ‘환경융합신기술개발사업’ 중 하나로 2013년 6월부터 개발을 시작했으며, 한국기술교육대학교와 (주)랩코 연구팀에서 기술개발을 수행했다. 특히 이 기술은 미래창조과학부 기초연구(한국연구재단의 신진연구자지원사업 등)의 우수성과를 실용연구로 연계하는 환경부·미래부 협업체계인 ‘브리지(Bridge) 프로그램’으로 진행한 결과다.

비스무스 텔루라이드 결정계면에서 생성되는 전자 모식도(왼쪽 결정립과 오른쪽 결정립계면에서 전자형성)

열전 반도체는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 바꾸거나, 전기로 소재를 직접 냉각하는 전자냉각 시스템(소형냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등)에 사용되고 있으며, 최근 IoT 소자와 웨어러블 기기의 전력원으로 크게 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 소재의 구조 제어만으로 열전 반도체의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 백승협, 김진상 박사 공동연구팀(제1저자 김광천 연구원, 박사과정)은 대표적인 열전 반도체인 비스무스 텔루라이드 소재의 성능을 좌우하는 전자 농도를 외부 불순물을 첨가하지 않고 소재의 미세구조 조절로 가능하다는 새로운 물리현상을 발견했다고 밝혔다.

열전 반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 열전 반도체에서 전자의 농도는 통상적으로 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용되어 왔다. 이에 반해, 본 연구는 소재 내 구조 결함을 이용하여 전하의 농도를 제어하는 새로운 방법을 제시하고 있다.

열전소재 내 배향이 서로 다른 두 개의 결정입자가 서로 만났을 때 형성되는 결정계면에서는 결정입자 내부에서 유지되고 있던 원자결합 규칙이 깨지게 되므로, 원자들은 원래 있어야 할 위치에서 미세하게 벗어나게 된다. 계면에서 일어나는 원자 결합구조의 변화로 인해서 본래 재료에는 존재하지 않는 새로운 특성이 발현된다.

본 연구진은 비스무스 텔루라이드 열전반도체에 존재하는 결정립 계면에서 자유전자가 생성된다는 사실을 발견하고 이에 대한 물리적 원인을 제시했다. 금속유기화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 결정계면의 농도가 서로 다른 비스무스 텔루라이드 박막을 성장시키고, 결정계면의 농도에 비례하여 자유전자 농도가 증가하는 것을 관찰했다. 또한 실험뿐 아니라 계산을 통해서 계면에 존재하는 원자들의 위치 변화가 소재의 전자구조를 변화시켜 자유전자를 생성할 수 있음을 이론적으로 증명했다.

본 기술은 불순물 도핑을 통하여 단결정 형태로 생산되어오던 기존 비스무스 텔루라이드 열전소재를 도핑이 필요치 않는 다결정 형태로 제조가 가능함을 의미하며, 이는 생산에 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다.

구리나노입자의 낮은 레이저 흡수 반응에 의한 광 투과깊이 확장 현상과 그에 따른 구리나노입자의 무산화 동시 소결 반응 원리 개략도 (사진. 한국연구재단)

전자제품에서 볼 수 있는 복잡한 전자 회로. 이 전자 회로를 연결하는 배선은 대부분 구리로 만든다. 현재 구리배선을 친환경적이면서 간단하고, 전자제품 소형에 따라 미세하게 개발해야 하는 난제를 안고 있다. 최근 이를 해결할 수 있는 원천기술이 개발되었다.

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원을 받은 강봉철 교수(금오공대), 양민양 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 “구리 나노입자에 흡수율이 낮은 광원을 사용하여 누구나 쉽게 다양하고 자유롭게 설계가 가능하고, 치밀하고 전류흐름이 매우 높은 구리 배선을 제작하는 단일 공정 기술을 개발했다.”고 밝혔다.

연구팀은 금속 나노입자에 흡수율이 낮은 레이저 광원을 사용하는 것이 깊고 균일한 소결반응을 일으킬 수 있고 광원도 저렴하기 때문에 보다 효과적일 것이라는 가설을 세우고 연구에 들어갔다.

연구결과, 고순도 구리 나노입자에 저렴한 광통신용 레이저를 사용하여 원하는 부분만 순간적으로 빠르게 녹이고, 응집시켜 누구나 쉽고 자유롭게 설계가 가능하며, 습기가 많은 공기 중에서도 산화 없이 연속적인 미세 구리막을 형성할 수 있음을 실험적으로 밝혔다. 

연구팀이 개발한 구리 배선은 유독한 화학공정과 높은 에너지를 요구하는 공정이 필요 없다는 면에서 친환경적이다. 현재 상용되는 구리 배선은 유독한 화합물질이 포함되어 있거나, 전류소비가 많아 에너지 소비가 높기 때문이다.

연구팀은 이 공정 원리의 실제 산업적인 유용성과 가능성을 살펴보기 위해 스마트 기기용 투명 터치패널 제작에 적용한 결과, 단일층 구리 기반의 눈에 보이지 않을 정도로 매우 미세한 구리선을 만들어 플렉서블 터치 패널 구조를 개발하는데 성공했다. 이는 기존에 희토류를 이용하여 5~6겹의 복잡한 구조로 되어 있는 모바일 기기용 터치패널을 대체할 수 있을 것이라고 연구팀은 설명했다.

강봉철 교수는 “이 연구성과는 단일공정으로 고전도, 고밀도, 고집적의 구리배선을 제작하는 원천기술을 개발한 것이다. 향후 모바일/웨어러블 기기 등의 적용 가능성을 한 단계 높였다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 재료분야의 국제적 학술지인 케미스트리 오브 머터리얼즈 6월 28일자에 실렸다.