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나노테크 재료
2007년 7월 1일 (일) 11:29:00 |   지면 발행 ( 2007년 6월호 - 전체 보기 )

독립행정법인 산업기술종합연구소_혼마 이타루(本間 格)개요 지구환경과 자원에너지 문제가 심각해지고 있는 가운데 화석연료의 에너지 변환 효율향상에 의한 자원절약, 환경부하저감의 중요성이 세계적으로 인식되고 있다. 산업혁명 이래, 에너지 변환시스템으로 사용되어 온 내연기관의 효율도 한계에 다달았으며 고에너지 변환 효율의 연료전지 등의 개발로 대표되어지는 21세기에는 새로운 에너지 기술 혁명을 기대하고 있다. 특히 일본에서 운송부문의 에너지 수요는 석유위기 이래 계속해서 증가하고 있지만 일반 승용차의 효율화는 에너지 절약효과, 사업파급 효과가 크다. 최근 들어 온난화 대책과 승용차의 효율화를 위해 하이브리드차와 같은 내연기관만이 아니라 전지를 병용한 효율적인 차의 도입이 세계적으로 진전되고 있으며, 친환경 자동차 도입에 의한 운송부문의 에너지절감과 온난화 원인물질 방출삭감 효과는 매우 크며, 다른 산업부문에 비해 비교적 쉽게 달성할 수 있다고 보여진다. 또 친환경 자동차 도입에 의한 운송부문 이외의 에너지 전략으로 다양한 분산형 전원 도입이 기대되고 있다. 또한 태양전지 혹은 풍력발전 등의 신재생에너지를 도입할 경우에도 전력부하평준화용 고출력형 전원의 개발이 시급한 과제가 되고 있다. 이 글에서는 이들 친환경 자동차를 염두에 둔 고성능·고출력형 회생전원 개발경쟁을 나노테크놀로지·재료기술을 구사해서 영역을 넓혀가고 있는 현상에 대해 소개한다. 연료전지개발의 과제 현재 전세계적으로 가장 주목받으며 개발경쟁이 펼쳐지고 있는 친환경 자동차는 연료전지차(FC Vehicle)이다. 연료전지는 에너지 변환효율이 높은 반면, 출력밀도는 그다지 크지 않은 연료전지만으로 자동차의 가속성능과 등반성능을 얻어내기는 어려우며, 에너지 밀도 이외에 출력밀도(W/kg)도 큰 파워공급용 보조전원이 필요하다. 또 고출력형 보조전원은 가속시 에너지 회수에도 이용할 수 있기 때문에 하이브리드자동차의 경우는 더더욱 고효율화가 가능하다.

연료전지로 대표되는 친환경 자동차용 보조전원을 상정한 경우, 에너지 용량과 출력밀도를 동시에 갖춘 전원이 필요하다. 일본의 자동차 제조사 혹은 미국 에너지국(DOE)의 하이브리드차용 보조전원 성능 목표치를 <그림 1>에 표시한다. 일반승용차의 에너지 회생을 목적으로 할 경우에는 에너지 밀도로 30Wh/kg 정도, 출력밀도로는 3kW/kg 정도가 요구되지만 이런 성능은 리튬 2차전지와 전기이중층 캐퍼시터(EDLC)의 중간적인 성능이다. 이 성능은 2차전지로 100C의 충방전 속도에 필적하는 현재의 인터카레이션 전극재료에서는 이런 에너지 밀도와 출력밀도를 겸비한 축전 디바이스를 구성하는 것이 불가능하다. 가령 2차전지적인 활물질로 이온인터카레이션메커니즘을 이용할 경우는 약 100배 가량 전하이동속도를 향상시켜야 한다. 즉 에너지 밀도와 출력 밀도를 동시에 올릴 수 있도록 2차전지와 전기이중층 캐퍼시터의 중간적인 축전메커니즘에 의해 고출력·대용량화를 꾀할 경우, 전극 내의 이온 확산과 활물질의 전자전도의 비약적인 고속화를 동시에 실현시키지 않으면 안된다. 이와 같은 요구에 대응하는 고용량·고출력의 전원개발을 위해서는 ① 리튬 2차전지의 고출력화와 ② 탄소계 캐퍼시터의 고용량화라는 다른 두가지 첨단기술을 개발해야 한다. 리튬 2차전지의 고출력화 첨단 나노테크·재료기술분야에서는 전기에너지의 고속입출력이 가능한 전원 개발을 목표로 나노공간과 노노활물질에 의해 구성되는 나노구조전극이 연구의 이슈이며, 통상적인 리튬 2차전지에 비해 100배 정도 고속으로 충방전이 가능한 고출력형 전극을 만들어내게 되었다. 즉 나노구조전극의 컨셉은 ① 나노포아내 고속이온 확산과 ② 활물질의 나노구조화에 의한 리튬이온확산장의 단축 ③ 나노포아 내부의 큰 비표면적으로부터 만들어지는 큰 전하이동속도와 ④ 연속 프레임워크 구조의 높은 전자전도성을 이용한 종래의 재료기술로는 달성하기 불가능한 고속충방전 가능한 전극이 만들어질 수 있는 혁신적인 전력기술이다. <그림 2>에 이들 나노테크전극의 연구 예를 표시했다.

실제로 <그림 2>에 표시된 나노전극은 산업종합연구소에서 개발된 1. MnO2계의 나노코팅 전극과 2. TiO2계 메소포라스전극의 전자현미경사진이다. 고속화를 의도하는 물리화학적 원리를 간단히 설명하면 나노코팅전극에 표면을 피복하고 있는 화성물층의 두께가 나노메타레벨이기 때문에 리튬 고체내 확산거리가 짧게 되는 것보다 고출력화가 가능하게 되어 다른 쪽 메소포라스 전극에서는 활물질 내의 나노포아내부가 전해액으로 꽉 찼기 때문에 액체와 동등한 확산계수로 매크로 전극재료 안을 이튬이온이 확산될 수 있기 때문에 고출력화가 가능해진다. 예를 들어 활물질층의 두께를 3nm이라고 가정하고, 전자확산(전자전도)은 이온과 비교해 빠르다고 가정하면 리튬이온 활물질 고체 내 확산계수를 10-13㎠/s라고 가정하면 1초만에 활물질층을 충방전할 수 있다. 현재 이런 나노테크재료를 이용한 고출력·고용량형 전극의 개발은 세계 각국에서 진행되고 있다. <그림 3>의 (a), (b)은 일례로 현재의 리튬 2차전지의 정극재료로 이용되고 있는 층상 리튬산화물인 나노포라스형 전극(활물질 안에 규칙적으로 포아가 형성된다)의 투과전자현미경사진이다. 이 재료들로는 높은 전위와 용량을 유지한 채 포아 내를 고속으로 이온확산하기 때문에 고출력화를 달성할 수 있다.

더욱이 나노포라스형 구조의 전극만이 아니라 나노튜브와 나노파이버 등 1차원구조, 나노시트 등 2차원 구조를 갖고 있는 전극재료로는 전자전도가 활성물질 내를 장거리에 연속적으로 일어나기 때문에 이온과 전자 고속전하이동을 실현할 가능성이 높다. 또 고비표면적이기 때문에 유사용량 등 바크에서는 이용할 수 없는 용량성분의 증대도 기대되며 고용량화도 기대할 수 있다. <그림 4>(a), (b)에는 나노파이버 구조를 갖고 있는 산화 바나지움(V2O5)의 겔구조전극 연구 예를 보여준다. 이들 전극에서는 나노결정전극으로부터 더욱 앞선 분자레벨의 구조를 갖고 있는 새로운 컨셉의 전극재료로 무기초분자전극으로 위치지을 수 있다.

탄소계 캐퍼시터의 고용량화 한편, 실용적인 하이브리드차 전원, 각종 전자기기의 백업 전원 등 광범위한 전원용도의 수요를 쫓아, 출력밀도와 충방전 사이클 특성에 강한 탄소계 캐퍼시터의 연구개발도 현재 각국에서 활발하게 진행되고 있다. 이들 고용량형 캐퍼시터 기술은 오래전부터 개발되어 왔지만 카본 전극의 비표면적의 증대만으로는 용량 증대에 한계가 있다고 인식되어 최근에는 나노테크의 진보에 호응해서 균일한 포아사이즈와 규칙적인 포아 배열을 갖고 있는 나노포라스카본의 합성과 기능개발이 주목받고 있다. 이들 나노테크형 전극은 정밀한 포라스구조를 갖고 있기 때문에 고속이온 확산이 가능하며, 카본프레임워크는 중분한 전자전도성을 갖고 있기 때문에 기존에는 없는 고용량·고출력 특성이 기대된다. <그림 5>는 최근의 규칙형 나노포라스전극 연구의 예이다.

맺음말 최근 들어 나노테크 재료기술 진보의 조류 속에 균일한 포아와 규칙이 정확한 배열을 갖고 있는 나노포라스형 전극을 합성할 수 있게 되었다. 이들 나노레벨의 활물질과 포아의 규칙이 고른 배열구조는 전자와 이온 쌍방의 동시고속전하이동에 최적의 구조이다. 한편, 나노튜브, 나노시트, 나노리본 등 1차원, 2차원 구조의 전극재료도 합성될 수 있게 되었으며, 기존의 전기화학적으로 불활성이었던 재료도 활물질로 이용할 수 있는 등 새로운 과학적인 지식도 축척되고 있다. 이들 나노테크 전극에 있어서도 고용량·고출력 특성이 기대되며 현재 세계 각국에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 나노테크로부터 만들어진 고출력형 전극은 각종 산업기술의 전원으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 하이브리드차의 회생전원, 전력 부하평준화 전원 등으로의 실형성이 높으며, 에너지 절감 기술의 주요 테크놀로지로 키워질 가능성도 높다. 이들은 나노테크와 지구온난화 대책기술을 결함한 첨단기술로 산업계, 정부, 하계의 연대로 계속적으로 진행되고 있는 연구개발 테마이다. 순환형 사회를 구축하며 에너지보안 향상의 공헌하는 기반산업기술로 나노테크놀로지분야에서는 가장 강력하게 추진해야 하는 중요과제임에 틀림없다.

<Energy News>

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