2017 여름, 학계를 달군 에너지 기술의 혁신

2017 여름, 학계를 달군 에너지 기술의 혁신

 

석탄, 석유, 천연가스 같은 화석 연료가 여전히 세계 에너지 공급의 약 85%를 차지하고 있지만, 미래는 바람과 태양과 같은 신재생에너지 기술이 널리 확대될 것이 분명해지고 있다. 대한민국에 최근 들어선 문재인 정부는 원전 신규건설계획(6기)을 백지화하고, 노후 핵발전소 수명연장을 하지 않기로 했다. 이미 건설 중인 5기 중에서 공정률 20%대인 신고리 5,6호기는 공론화를 통해 중단 여부를 결정한다. 이어서 문재인 정부는 내년까지 신재생에너지에 대한 지원을 대폭 증가하기로 결정했으며, 2030년까지 신재생에너지 발전량을 67.7GW(기가와트)까지 높인다는 입장을 밝혔다. 이처럼 국내에서도 ‘탈 원전’을 외치며 ‘지속 가능한 기술’에 대한 관심이 고도화 되고 있는 상태이다.

 화석연료의 힘을 빌리지 않고 에너지 생산이 가능한 기술이 다양하게 개발 되었다. 그럼 2017년 올 여름, 학계를 달군 에너지 혁신 기술은 무엇이 있었을까?

 

첫 번째는 바로‘스스로 전기 생산하는 실’이다.

[사진 1. ‘스스로 전기 생산하는 실’]

출처: 한국경제 IT/과학- '스스로 전기 생산하는 실' 세계 최초로 개발 성공

 

이 실은 2017년 8월 24일자로 국제학술지 사이언스에 소개됐다. 한국 과학자 김선정 (한양대 전기생체공학부 교수)주도하에 미국 텍사스대, 중국 ‘장난그래핀연구소’ 연구진은 세계 최초로 스스로 전기를 생산하는 실을 개발하는데 성공했다. 이 실은 탄소 원자가 연결된 원통형 물질인 탄소나노튜브 수만 개가 한 올을 이룬다. 실이 고무줄처럼 꼬였다 풀리는 반복적인 움직임으로 전기가 생산이 되고 저장되는 시스템이다.

 연구진에 발표에 따르면 길이 58㎝, 무게 19.2㎎, 굵기 70㎛인 머리카락 보다 가는 실이 초록색 발광다이오드(LED) 하나를 켜는 데 성공했다고 한다. 또 일반 티셔츠에 이 실을 꿰매어 실험 해 보았을 때 사람이 주기적으로 숨을 내쉬기만 해도 전기가 생산된다는 사실이 확인되었다. 이는 사람이 숨을 쉬는 과정에서 실이 반복 적으로 움직이기 때문에 가능한 현상이다.

 뿐만 아니라 이 실을 파도가 치는 바다 속에 넣어 둘 경우 조류의 힘으로 전력이 생산될 수 있기 때문에, 현재 연구팀은 무제한적인 전력 생산을 할 수 있다는 가능성을 보았고 이를 활용해 배터리가 없는 휴대전화나 오랫동안 비행할 수 있는 드론 등의 개발에 쓰일 수 있다는 희망을 보았다.

 

두 번째 발표된 연구는 ‘배터리 속 생중계’로 더 좋은 이차전지를 만든다.

[사진  2.  ' 배터리 속 생중계’ 이현욱 교수]

출처: UNIST NEWS CENTER- ‘배터리 속 생중계’로 더 좋은 이차전지 만듭니다!

 

 이현욱 교수는 현재 UNIST 교수로에너지및화학공학부의배터리분야 ‘실시간투과전자현미경(In Situ TEM) 전문가’이다. 그는 2017년 8월 27일 미국화학회지(JACS)에 리튬-황 전지의 충, 방전을 실시간으로 관찰한 논문을 발표했다.

리튬-황 전지의 경우 기존의 리튬 이온전지와는 약간의 차이를 지닌다. 리튬-황 전지의 경우는 기존에 리튬 이온전지의 양극 물질로 활을 이용하는 배터리이다. 만약 상용화만 된다면 리튬 이온전지 보다 10배 높은 용량을 가져 연구가 매우 활발히 이루어지는 분야이다. 하지만 충, 방전 시 황이 심하게 부풀고 전해액이 녹는 등 문제가 여럿 발생해 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

하지만 이번에 이현욱 교수는 TEM(투과 전자 현미경)을 이용해 새로운 물질을 실시간으로 관찰하는데 성공했다. 즉 그는 충, 방전 시 부피팽창 정도와 리튬이온의 확산 속도에 따라 달라지는 부피팽창 현상을 파악해 낸 것이다. 이에 앞으로의 배터리 용량 증가를 기대하고 있다. 

[그림 1. TEM을 통한 배터리 분석]

출처: UNIST NEWS CENTER- ‘배터리 속 생중계’로 더 좋은 이차전지 만듭니다!

 

[그림 1]은 이현욱 교수가 사용하는 TEM을 통해 황 물질의 실시간 분석 실험 결과치를 나타내주고 있는 사진이다. TEM은 물질에 전자빔을 통과시켜 내부를 관찰하는 장비이다. 이는 사용이 어려워 이 교수처럼 많은 경험을 통한 노하우가 필요하다고 한다. 따라서 세계 각지 연구소에서 이 교수와 공동연구를 하기 위해 요청하고 있다고 한다. 이 교수는 UNIST NEWS CENTER을 통해 “한 살 때 손에 배터리를 쥐고 찍은 사진이 있어요. ‘배터리가제운명’이었던 걸 암시하는 장면이죠. 배터리물질개발도, 실시간 TEM도계속연구해세상에기여하는연구자가되겠습니다.”라고 얘기를 전했다.

 

세 번째 발표는 바로 ‘나노박막 이용 고품질 단결정 광전극 최초 제작’이다.

[그림  2. 나노박막 이용 고품질 단결정 광전극 최초 제작’]

출처: GIST NEWS Excellent - ‘이상한 교수팀, 나노박막 이용해 수소생산용 고품질 단결정 광전극 최초 제작’

 

GIST는 신소재공학부 이상한 교수의 주도하에 송재선 박사과정, 차재성 석사과정과 함께 수행한 이번 연구에서 ‘태양광을 이용한 물 분해 시, 필요한 광전극을 제작함에 있어 매우 얇은 수 나노미터(nm) 두께의 기능성 삽입층을 이용하면 쉽게 고품질의 단결정 광전극을 형성할 수 있음.’을 최초로 밝혔다. 

[그림 2]의 왼쪽 그림이 연구팀에서 구현한 비스무스 바나데이트 광전극 박막 성장에 대한 구조적인 모델이다. 이번 연구에서 보여준 것은 산화텅스텐을 삽입층으로 삽입하였을 때, 비스무스 바나데이트와 기판 사이의 부정합이 감소되어 고품질의 단결정을 생산해 낼 수 있다는 것이다. 이런 경우 광전류의 밀도가 10배 이상 향상되는 효과를 얻을 수 있다. ([그림 2]의 오른쪽 그림 참고) 광전류의 밀도가 높다는 것은 태양광으로부터 받은 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 효율이 크다는 것을 얘기한다.  

GIST에서 발표한 이번 연구는 2017년 8월 25일에 저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이라는 에너지소재 분야의 세계적 학술지에 게재되었다.

 

 2017년 여름, 누군가는 빠르게 보냈을 그 시간 속에서도 국내에선 미래 대한민국을 위해 바쁜 연구가 진행중이다. 위에 게

재된 3가지 과학 기술과 같이 국내의 연구진들은 미래 환경문제와 에너지문제를 해결하고자 다양한 연구를 진행하며 세계를

깜짝 놀라게 할 과학기술들을 개발하고 있다. 앞으로 ‘탈 원전’ 정책 속에서 지속 가능한 기술 개발에 대한 정부의 적극

적인 지원을 통해 세계 과학기술을 선도하는 과학인재들의 양성을 기대한다.