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2024-11-25 (월)

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국제에너지기구, 올해 판매차량 5대중 1대이상 EV⋯석유수요 추가 감소 전망

국제에너지기구(IEA)는 23일(현지시간) 올해 전세계에서 전기자동차(EV)가 1700만대 넘게 판매돼 신차 5대 중에서 1대 이상을 차지할 것으로 전망했다. 이날 로이터통신 등 외신들에 다르면 IEA는 이같은 EV 올해 판매전망을 내놓으면서 EV판매 급증으로 원유수요가 더욱 감소할 것이라고 지적했다. IEA는 올해애는 EV 1700만대가 판매돼 지난해(1400만대)보도 크게 증가할 것으로 예측했다. 이는 신차판매 5대중 1대이상이 EV가 차지하는 수치다. 이중 1000만대가 중국에서 판매될 것으로 예상된다. IEA는 '전세계 EV 전망'이라는 보고서에서 "박한 수익마진, 불안정한 배터리 금속가격, 고인플레, 일부국가의 구매인센티브 단계적 폐지가 EV시장의 우려를 불러일으켰지만 세계적인 판매 데이터는 호조를 유지하고 있다"고 지적했다. 올해 1분기 EV 판매대수는 지난해보다 25%나 급증했다. 총 판매대수에서 차지하는 EV 비중은 지역에 따라 크게 차이가 날 것으로 예측된다. 미국에서는 대략 9대중 1대, 유럽에서는 4대중 1대, 중국에서는 절반정도를 차지할 것으로 IEA는 예상했다. EV 가격이 계속 성장의 열쇠가 될 것이라고 IEA는 지적했다. 유럽에서 내연기관차가 같은 EV보다 저렴한 가격으로 판매되고 있지만 중국에서는 지난해 판매된 EV중 3분의 2 가까이가 기존의 동등 내연차량보다 저가였다. IEA는 "EV는 일반적으로 배터리 가격이 하락하고 경쟁이 심화하며 자동차 제조업체가 규모의 경제를 달성함에 따라 가격이 저렴해지고 있다'"고 설명했다. 인플레이션을 조정하면 전기차 가격은 2018년과 2022년 사이에 가격이 정체되거나 약간 상승한 경우도 있다고 IEA는 지적했다. 전기차는 충전 인프라를 통해 증가하는 수요를 맞추는 것도 중요한 과제가 될 것이며 2035년까지 충전 네트워크를 6배 성장시켜야 한다고 IEA는 덧붙였다. IEA는 EV 급속한 보급으로 자동차용 연료수요가 2025년경에 정점을 맞을 것이라고 예측했다. 각국이 표명하고 있는 에너지∙기후정책을 실행한다면 2030년까지 석유수요가 하루 약 600만 배럴, 2035년까지 하루 1100만 배럴 감축돼 현재 총 석유수요중 10분의 1이상으로 줄게 될 것이라고 지적했다.
- 산업
2024-04-24
구리 가격, 공급 불안 지속으로 톤당 1만달러 근접⋯2년만에 최고치 경신

구리 가격이 최근 1톤당 1만달러에 근접해 2년 만에 최고치를 경신했다. 21일(현지시간) 마이닝 닷컴은 구리 가격 상승은 투자자들이 주요 광산의 공급 혼란으로 인해 제련소들이 대체 공급원 확보에 어려움을 겪을 것이라는 전망에 따라 투자를 늘리고 있는 것과 관련이 있다며 이같이 보도했다. 다른 기본 금속들도 최근 몇 주 동안 큰 폭의 상승세를 보였고, 구리는 22일 장중 한때 최고치인 톤당 9988달러까지 상승했다. 이란과 이스라엘의 지정학적 리스크와 통화정책에 대한 불확실성 재부각은 여전히 시장 부담 요인으로 남아 있지만, 미국과 중국의 제조업 활동 개선 조짐이 금속을 끌어올렸다. 구리 가격 상승은 주요 광산에서 발생한 일련의 공급 차질에 의해 촉발되었으며, 이로 인해 제련소들은 대체 공급원 확보에 어려움을 겪고 있다. 중국의 수요는 계절적으로 저점을 찍고 있지만, 글로벌 제조업 활동의 일시적인 반등이 수요 회복에 도움이 될 것이라는 기대가 높아지고 있기 때문이다. 씨티그룹 애널리스트들은 이메일 메모에서 "앞으로의 방향은 데이터에 따라 달라질 것이며 개별 금속 펀더멘털이 주도할 것"이라고 전망했다. 이들은 향후 3개월 동안 구리 가격은 타이트한 시장과 숏 커버링에 대한 전망으로 강세를 보일 것으로 보이지만 다른 금속은 물리적 펀더멘털이 상대적으로 약하다고 말했다. 최근 미국 연방준비제도(연준·Fed) 이사회의 금리 인하 지연이라는 입장 변화에도 불구하고 구리 가격은 상승했다. 제롬 파월 연준 의장은 지난주 인플레이션 통제에 확신을 갖기까지는 은행이 "예상보다 더 오랜 시간"이 걸릴 것이라고 언급했다. 알루미늄은 아시아 창고에서 금속 출고 주문이 5일 연속 증가하면서 재고량이 사상 최저 수준으로 떨어졌다. 블룸버그는 지난 19일 글로벌 무역 및 광산회사인 글렌코어(Glencore)와 트라피구라(Trafigura)가 대규모 금속 출고 주문에 참여했다고 보도했다. 글렌코어(Glencore)는 스위스 바르에 본사를 둔 글로벌 무역 및 광산회사다. 석유, 석유 제품, 석탄, 금속, 광물 등 다양한 상품을 생산, 운송, 거래하며, 세계 최대 규모의 상품 거래 회사 중 하나로 자리매김하고 있다. 1974년에 설립된 글랜코어는 현재 100개국 이상에서 약 19만 명의 직원을 보유하고 있다. 2023년 기준 연 매출은 약 2500억 달러를 기록했다. 트라피구라는 스위스 제네바에 본사를 둔 글로벌 무역 및 원자재 회사다. 석유, 석유 제품, 석탄, 금속, 광물 등 다양한 상품을 거래하며, 세계 최대 석유 상인 중 하나로 꼽힌다. 1993년 설립된 트라피구라는 현재 50개국 이상에서 사업을 운영하고 있으며, 2023년 기준 연매출은 약 2500억달러에 달한다. 구리는 22일 1.1% 상승해 장중 한때 최고치인 톤당 9988 달러에 도달한 후 현지 시간 오후 3시 53분에 0.2 % 하락한 9861 달러에 거래됐다. 다른 금속들은 횡보 또는 하락세를 보였으며, 아연과 주석은 각각 0.7%와 2.4% 하락했다.
- 산업
2024-04-23
남극 활화산, 매일 6000달러 상당 금가루 분출⋯사업성은?

남극 최남단의 활화산 에레버스 산에서 매일 6000달러(약 830만원) 상당의 금가루가 분출되지만 가까이 다가가 쓸어담을 수는 없는 것으로 확인됐다고 IFL사이언스와 뉴욕포스트, 지오 뉴스 등 다수 외신이 보도했다. 지구 최남단에 있는 에레버스 산(Mount Erebus)은 남극 대륙 로스 해의 제임스로스 섬에 있는 활화산이다. 남극에는 수십 개의 화산이 있으며, 그 중 대부분은 서남극과 마리 버드 랜드에 위치해 있다. 2017년의 한 연구에 따르면 남극 대륙의 이 지역에서만 138개의 화산이 발견됐다. 이 중 대부분은 휴화산이지만, 8~9개의 남극 화산은 활화산으로 간주된다. 최근 역사상 남극의 화산이 폭발한 사례는 단 3건에 불과하다. 남극 대륙의 얼음 코어를 수집한 연구에 따르면 남극 대륙은 마지막 빙하기 동안 거대한 화산 폭발로 몸살을 앓았으며, 그 중 상당수는 현대 역사상 어떤 폭발보다 더 컸던 것으로 나타났다. 현재 남극 대륙에서 가장 사납게 활동하는 화산 중 하나인 에레버스 산은 정상 고도가 3794미터(1만2448피트)이다. 참고로 우리나라 제주도의 한라산 정상 높이는 약 1947m이다. 그리스 신화에 나오는 어둠의 화신에서 이름을 따온 에레버스 산은 1841년 영국 탐험가 제임스 클라크 로스 경이 처음 발견했을 때 분화 중이었다고 전해진다. 산 이름은 탐험가 제임스 클라크 로스의 배 이름에서 유래됐다고도 한다. 이 화산은 영국 탐험가의 이름을 딴 로스 섬의 다른 두 화산과 나란히 위치해 있다. 이 거대한 화산의 위성 사진을 자세히 보면 정상 분화구(lava lake)에 용암이 끓고 있음을 암시하는 아주 작은 붉은 색이 엿보인다. 뉴욕 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 관측소의 코너 베이컨에 따르면 에레버스는 1972년부터 지속적으로 폭발해왔다. 그는 산 정상 분화구 중 하나에 끓어오르는 뜨거운 용암호수가 있는 것으로 알려져 있다고 덧붙였다. 화산은 정기적으로 많은 양의 가스와 증기를 뿜어낸다. 과거의 화산 활동에서는 '화산 폭탄'으로 알려진 용암에 의해 부분적으로 녹은 매우 뜨거운 암석을 분출하는 것으로도 알려져 있다. 미국 항공우주국(나사·NASA)에 따르면 에레버스 화산은 정기적으로 가수와 증기 기둥을 방출하고, 때때로 (용암으로 된)암석 폭탄을 뿜어낸다고 한다. 나사 과학자들은 이 화산이 분출하는 가스에는 20㎛(마이크로미터) 이하의 작은 금속 금 결정이 들어 있다는 사실을 발견했다. 이 화산은 하루 동안 약 80g의 금을 분출하는 것으로 추정되며, 이는 약 6000달러의 가치가 있다. 또한 남극의 연구자들은 이 화산에서 최대 1000km(621마일) 떨어진 대기에서 금 가루의 흔적을 발견했다. 1841년 영국의 탐험가이자 해군장교 제임스 클라크 로스가 처음 발견한 이후 여러 사람이 등정을 시도했으나 소규모 화산 폭발로 번번히 등정에 실패했다. 이후 1908년 호주의 지질학자 에지워스 데이비드가 처음으로 등반에 성공했다. 하지만 이 화산은 에레버스 화산 재해로 가장 악명이 높다. 1979년 11월 28일, 에어뉴질랜드 901편이 화산 측면을 정면으로 들이받아 탑승자 257명 전원이 사망했다. 당시 이 비행은 오클랜드에서 남극까지 11시간 동안 관광 비행을 한 후 다시 뉴질랜드로 돌아오는 에어뉴질랜드 프로그램의 일부였다. 1979년 11월 28일 사고 당일 날씨가 흐려졌지만 항공 투어는 예정대로 진행됐다. BBC의 보도에 따르면, 기장 짐 콜린스 대위는 비행기를 두 번 크게 돌면서 약 610m(2000피트)까지 하강하려고 시도했다. 이 기동 중 오후 1시 직전에 비행기는 에레버스 산 서쪽 측면에 부딪혀 탑승자 전원이 사망했다. 구조대원들은 사고 현장에서 승객들의 카메라에 필름이 온전히 남아 있는 것을 발견했다. 충돌 몇 초 전에 촬영된 이 사진들은 추락 당시 시야가 좋았고 비행기가 구름 아래에 있었음을 보여 주었다. 그로 인해 두꺼운 구름 층에 의해 화산이 시야에서 가려졌을 가능성은 배제됐다. 에어뉴질랜드 901편의 추락 원인은 '화이트아웃(whiteout)'으로 추정된다. 화이트아웃은 극심한 눈보라 상태에서 주로 발생하는 기상 현상으로, 눈과 얼음이 확산된 빛을 반사하여 지평선과 다른 시각적 지표들을 구분할 수 없게 만든다. 이 현상은 주로 극지방이나 높은 산악 지역에서 발생하며, 시야가 극도로 제한되어 항해나 이동에 매우 위험할 수 있다. 눈, 구름, 안개가 혼합되어 시야가 거의 제로에 가까워지는 상태를 말한다. 당시 조종사는 거리감을 가늠할 수 없었고 조종석 바로 앞에 보이는 산은 화이트아웃으로 인해 산의 모습이 아니라 아래 풍경의 얼음과 눈이라고 착각했다는 것이다. 이 사고로 인해 에어뉴질랜드는 여러 차례의 소송과 수많은 논란 끝에 남극 상공 관광 비행을 중단했다. 남극의 몇 안 되는 활화산인 에레버스 산은 매우 아름다운 풍경과 금가루를 뿌리는 신비한 모습으로 유혹하지만 동시에 매우 위험한 곳임을 기억해야 한다.
- 생활경제
2024-04-22
[신소재 신기술(35)] 혁신적인 미사일 기술, 군사 기술·컴퓨터 파괴하지만 인명 피해는 최소화

군사 장비나 컴퓨터를 골라서 파괴하지만 사람은 죽이지 않고 인명 피해를 최소화하는 혁신적인 미사일 '챔프(CHAMP)'가 개발됐다. 챔프(CHAMP)는 대전자 고출력 마이크로웨이브 첨단 미사일 프로젝트(Counter-Electronics High Power Microwave Advanced Missile Project)의 약자로 미 공군 연구소에서 개발한 공동 개념 기술 실증 프로그램이다. 다시 말하면 CHAMP는 일종의 고출력 전자레인지인 '고출력 마이크로파 에너지 펄스' 이용해 컴퓨터를 파괴하기 위해 제작된 미사일이다. 미국 국방 전문 매체 포스 넷(Forces net)에 따르면 CHAMP 미사일의 목적은 사망자를 발생시키지 않고 적의 군사 능력을 사실상 쓸모없게 만드는 것이다. 즉, 이 프로젝트는 적의 전자 시스템을 무력화시키는 것이 목표다. CHAMP는 미 공군 연구소(Air Force Research Laboratory)에서 처음 개발한 후 보잉의 국방 및 보안 부문 첨단 프로토타입 제작 부문인 보잉의 팬텀 웍스(Phantom Works)가 제작한 것으로 알려졌다. 이 무기에 대해서는 알려진 바가 거의 없지만 공중 발사 순항 미사일에 장착되어 B-52 폭격기에 의해 전달되는 것으로 전해져 있다. CHAMP 미사일은 적 영공에 진입하면 낮게 유지되며 특정 목표를 겨냥하여 고출력 마이크로파 에너지 펄스를 방출해 중요한 전자 장비를 비활성화한다. 이러한 고출력 마이크로파 폭발로 손상을 입히지 않고 전자 장치를 튀겨버려 순식간에 컴퓨터를 마비시킬 수 있다. 미국이 이 무기를 어디에 배치하고 있는지, 누구와 기술을 공유했는지는 확실하지 않다. 간단히 설명하자면, CHAMP는 고출력 마이크로파 방출기를 장착한 미사일을 개발하는 프로젝트다. 이 미사일은 기존의 폭발물을 사용하지 않고도 적의 전자 시스템을 교란하거나 손상시키기 위해 발사할 수 있다. 또한 무인 시스템으로 설계되어 조종사가 탑승하지 않고도 발사 및 작동할 수 있다. 이란 당국자 두 명은 이 공격이 이스파한주 인근의 군사기지 내 S-300 대공 시스템을 타격했다고 밝혔다. 뉴욕타임스가 분석한 위성 이미지에 따르면, 이스라엘의 무기는 이스파한의 제8 셰카리 공군 기지에 위치한 S-300 대공 시스템의 레이더를 타격했다. 그에 앞서 이스라엘은 지난 13일 이란의 공격에 대응하여 그보다 적은 무기를 사용해 이란의 방어망을 우회하고 무력화시킬 수 있음을 보여줬다. NYT는 이스라엘의 이번 공격에 사용된 정확한 무기 유형이 어떤 것인지 불확실하다고 밝혔다. 다만 서방 당국자 세 명과 이란 당국자 두 명은 이스라엘이 여러 드론과 적어도 하나의 공대지 미사일을 사용했다고 전했다. 이에 반해, 이란 당국자들은 이번 공격이 소형 드론에 의한 것이었다고 주장했다.
- 포커스온
2024-04-22
[신소재 신기술(34)] 수소 저장용 신소재, 칠수소화 세슘(CsH7)과 9수소화 루비듐(RbH9) 합성 화합물

러시아 스콜코보 과학기술연구소(스콜테크·Skoltech) 연구팀과 러시아 과학 아카데미 슈브니코프(shubnikov) 결정체 연구소 및 중국, 일본, 이탈리아 연구 기관의 과학자들은 현재 최고의 수소 저장 물질보다 4배 더 많은 양의 수소 기체를 "흡수"할 수 있는 수소 화학 저장 물질을 발견했다고 테크익스플로어가 17일(현지시간) 보도했다. 이 연구팀이 개발한 합성한 화합물인 칠수소화 세슘(CsH7)과 9수소화 루비듐(RbH9)은 각각 금속 원자당 최대 7개와 9개의 수소를 저장할 수 있는 획기적인 기술이다. 기존 금속 합금기술로는 금속 원자 하나당 약 2개의 수소 원자를 넣을 수 있었다. 수소를 효율적으로 저장하는 방법을 찾는 것은 미래의 지속 가능한 경제에 통합하는 데 매우 중요하다. 적절한 저장 기술을 갖춘 수소는 향후 고온의 산업 공정과 운송에 연료를 공급하고 전력망의 공급과 수요를 균형 있게 조절하는 역할을 할 수 있다. 이번 연구는 학술지 '첨단 에너지 재료(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다. 수소는 미래의 저탄소 경제에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 수소는 재생 가능하게 생산될 수 있고, 연료 전지나 연소를 통해 전기나 열을 생성하는 데 사용될 수 있다. 수소 에너지로 인해 가장 큰 이익을 얻을 수 있는 분야는 제철, 유리 및 시멘트 생산, 화학 산업 등이다. 국제 해운 및 일반적인 운송과 모빌리티 전반도 수소 에너지로 이익을 얻을 수 있다. 그 외에도 수소는 재생 가능 에너지의 불규칙한 공급을 포함해 잉여 에너지를 저장함으로써 전력망의 균형을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 수소 발전의 광범위한 채택을 막는 가장 큰 장애물은 공기보다 14배 가볍고, 반응성이 높으며, 가두기 어렵고 폭발성이 있는 가스인 수소를 저장하는 안전하고 지속 가능하며 경제적인 기술력의 부족이다. 가스 실린더, 튜브, 극저온 탱크 및 파이프 라인에서 수소를 축적하고 운반하려면 압축 또는 액화하거나 수소 분자로 구성된 고체로 변환해야 할 수도 있다. 하지만 이 방법에는 몇 가지 문제점이 있다. 첫째, 이러한 처리에는 매우 많은 비용이 든다. 압축 및 냉장 과정은 최종적으로 수소가 제공하는 총 에너지의 약 20%~40%에 해당하는 에너지를 소비한다. 이는 매우 높은 손실이다. 둘째, 수소는 질량당 가장 에너지 밀도가 높은 화학 연료이지만 너무 가벼워 압축 또는 액화된 천연가스보다 단위 부피당 여전히 약 절반의 에너지를 보유한다. 이는 특히 차량에 불편하다. 셋째, 수소는 가장 작은 분자이기 때문에 컨테이너에서 쉽게 빠져나가고 심지어 금속 벽에도 침투해 벽을 부서지게 하고 균열과 누출을 일으킨다. 연구의 주요 저자 중 한 명인 스콜테크의 재료 과학 및 공학 박사 드미트리 세메노크(Dmitrii Semenok)는 "대안은 화학 저장"이라고 지적했다. 세메노크 박사는 "예를 들어 마그네슘-니켈 및 지르코늄-바나듐 합금과 같은 특정 물질은 금속 원자가 결정 구조를 형성하는 사이의 공극에 수소를 저장할 수 있다. 이러한 축전기는 상대적으로 밀도가 높고 안전하며 필요에 따라 가열 시 빠르게 수소를 방출한다"라고 설명했다. 그는 "하지만 수소를 포집하고 방출하는 데 필요한 조건과 얼마나 많은 충방전 사이클을 견딜 수 있는지에 따라 금속 합금을 조정할 수는 있지만, 금속 원자 하나당 약 2개의 수소 원자를 넣을 수 있다는 상대적으로 엄격한 제한이 있다. 이것이 가장 큰 지표다"라고 부연했다. 세메노크 박사는 "우리가 합성한 화합물인 칠수소화 세슘(세슘 헵타하이드라이드·CsH7)과 9수소화 루비듐(루비듐 비수소화물·RbH9)은 금속 원자당 각각 최대 7개와 9개의 수소 원자를 담고 있다. 이 두 물질은 대기압에서 안정적으로 수소가 풍부한 최초의 물질이 될 것으로 예상되지만, 후자는 추가 확인이 필요하다. 어쨌든 이 화합물에서 수소 원자의 비율은 알려진 모든 수소화물 중에서 가장 높으며 메탄 CH4보다 두 배나 높다"라고 말했다. 이 연구의 수석 연구자인 스코테크의 재료 발견 연구실 책임자 아르템 오가노프(Artem R. Oganov) 교수는 "우리는 수소가 풍부한 암모니아 보란 분말을 세슘 또는 루비듐과 반응시킨다"고 설명했다. 이렇게 하면 세슘 또는 루비듐 아미도보란으로 알려진 염이 생성된다. 열을 가하면 이러한 염이 세슘 또는 루비듐 일수화물과 다량의 수소로 분해된다. 오가노프 박사는 "실험은 대기압의 10만 배에 달하는 압력을 가하는 두 다이아몬드 사이의 셀에서 실행되기 때문에 여분의 수소가 결정 격자 공극으로 강제 이동하여 세슘 헵타하이드라이드와 루비듐 비수소화물(후자는 두 가지 다른 결정 격자 종류)을 형성한다"라고 말했다. 연구팀에 따르면 세슘과 루비듐은 원자의 크기가 커서 결정 구조에서 수소가 차지할 수 있는 빈 공간이 더 커지기 때문에 "예정된 운명"이라고 한다. 이 화합물의 형성은 연구팀의 시뮬레이션과 기본 물리 법칙에 기반한 계산의 예측과 일치했다. 화합물의 존재는 여러 분석 기법을 통해서도 확인됐다. X-선 분석, 라만 분광법, 반사/투과 분광법 등 다양한 분석 기법을 통해 화합물의 존재를 확인했다. 후자는 스콜테크의 하이브리드 포토닉스 연구소의 데니스 산니코프 연구원의 기여로 가능했다. 연구팀은 이제 약 1만기압의 낮은 압력에서 대규모 유압 프레스를 사용해 실험을 반복하여 더 많은 양의 세슘과 루비듐 폴리하이드리드를 얻고, 이 화합물이 지금까지 알려진 다른 폴리하이드리드와 달리 일단 합성되면 대기압에서도 안정적으로 유지되는지 검증할 계획이다.
- 포커스온
2024-04-19
[신소재 신기술(33)] 원자 1개 두께의 이상한 형태의 금

스웨덴 과학자들은 단일 원자층으로 구성된 아주 얇은 박막의 금 소재를 개발했다. 이 새로운 물질은 '골덴'이라고 명명되었으며 반도체 특성을 지니고 있다. 과학 전문매체 사이언스 얼럿은 스웨덴 린쇼핑 대학교(Linköping University) 연구원들은 금을 더 이상 얇아질 수 없는 원자 1개 두께의 납작한 박막 시트 형태로 만들어내는 새로운 방법을 개발했다며 지난 16일(현지시간) 이같이 보도했다. 재료 과학의 명명 관습에 따라 연구팀은 이 새로운 2차원 물질에 '골덴(goldene)'이라는 이름을 붙였다. 골덴은 3차원 형태의 금에서는 볼 수 없는 몇 가지 흥미로운 특성을 가지고 있다. 스웨덴 린쇼핑 대학교의 재료 과학자 슌 카시와야는 "그래핀처럼 물질을 매우 얇게 만들면 놀라운 일이 일어난다"며 "금도 마찬가지다. 아시다시피 금은 보통 금속이지만, 단일 원자층 두께로 만들면 금이 반도체가 될 수 있다"라고 설명했다. 금은 서로 뭉치는 경향이 있기 때문에 2차원 구조로 동축하는 것은 매우 어렵다. 이전의 시도는 몇 원자 두께의 얇은 시트를 만들거나 다른 물질 사이에 또는 그 위에 단층을 끼워 분리할 수 없는 결과를 낳았다. 카시와야와 연구팀은 금을 만들려고 시작한 것이 아니라 우연히 공정의 첫 단계를 발견하게 됐다고 전했다. 린쇼핑 대학교의 나노 공학 분야의 연구를 이끌고 있는 재료 물리학자 라르스 튈트만(Lars Hultman)은 "우리는 완전히 다른 응용 분야를 염두에 두고 기본 재료를 만들었다"면서 "우리는 실리콘이 얇은 층으로 이루어진 티타늄 실리콘 카바이드라는 전기 전도성 세라믹으로 시작했다. 그런 다음 이 소재를 금으로 코팅해 접촉을 만드는 것이 아이디어였다. 하지만 부품을 고온에 노출시켰을 때 실리콘 층이 기본 재료 내부의 금으로 대체됐다"라고 설명했다. 튈트만 교수는 금속 나노구조의 합성 및 특성 연구에 선구자적인 역할을 했다. 특히, 금속 나노입자, 나노선, 나노막 등 다양한 금속 나노구조를 합성하고, 그들의 광학적, 전기적, 촉매적 특성을 연구해 다양한 응용 분야에 활용 가능한 새로운 재료를 개발하는 데 기여했다. 앞서 연구팀은 단층 금을 만들려는 시도에서 중요한 단계에서 한계에 도달해 연구 과정이 중단됐다. 몇 년 동안 연구팀이 만든 인터칼레이티드 티타늄 금 카바이드는 티타늄과 탄소 층 사이에 있는 초박막 금 층을 추출할 방법이 없어 그냥 그 상태로 남아있었다. 이에 연구팀은 무라카미 시약이라는 에칭 용액에 기반한 기술을 사용해 지난 연구의 한계를 돌파했다. 무라카미 시약은 금속 가공에 사용되는 화학 물질의 혼합물로, 탄소를 에칭하고 강철을 얼룩지게 하여 일부 일본 칼에서 볼 수 있는 무늬를 만들어낸다. 연구팀은 혼합물의 농도와 에칭 공정이 금을 둘러싼 티타늄과 탄소를 부식시키는 시간대를 다르게 시도했다. 무라카미 시약의 에칭 효과는 페로시아나이드 칼륨이라는 부산물을 생성한다. 이 화합물은 빛에 노출되면 시안화물을 방출하여 금을 녹이기 때문에 연구팀은 에칭 공정을 완전히 어둠 속에서 진행해야 했다. 게다가 얇은 금 시트는 말리거나 뭉치는 경향이 있었다. 이에 연구팀은 층이 접히거나 달라붙는 것을 방지하는 계면활성제를 추가해 금의 단일 원자층의 무결성을 유지했다. 연구팀은 이론적 시뮬레이션에서 예측한 대로 이 까다로운 단계를 거쳐 마침내 안정적인 금을 형성하는 데 성공했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 신티시스(Nature Synthesis)'에 게재됐다. 일반적으로 금은 우수한 전기 전도성 물질이다. 원소가 2차원 시트 형태를 취할 때 원자는 두 개의 자유 결합을 가지며 도체와 절연체 사이의 전도 특성을 가진 반도체로 변모한다. 이는 전도도를 조절할 수 있기 때문에 유용하다. 다시 말하면, 전기 전도성이 우수하고 부식에 강한 금은 반도체 소자의 접점, 연결 부품, 패키징 등에 사용된다. 금은 나노 크기의 입자로 제조될 수 있으며, 이러한 금 나노 입자는 차세대 반도체 소자의 제작에 활용될 수 있다. 예를 들어, 금 나노 입자는 트랜지스터의 게이트 전극, 메모리 소자의 저장 매질, 광전자 소자의 광 감지 소자 등으로 사용될 수 있다. 게다가 금은 생체 적합성이 우수하고 전기 전도성이 높기 때문에 생체 의료 분야에서 사용되는 뇌-컴퓨터 인터페이스, 심장 박동기 리드, 인공 근육 등의 전극 소재로 활용될 수 있다. 그러나 금은 높은 비용과 가공의 어려움, 제한된 반도체 특성 등의 단점도 존재한다. 금은 반도체 특성이 제한적이기 때문에 고성능 트랜지스터 제작에는 적합하지 않다.
- 포커스온
2024-04-18
[신소재 신기술(32)] 획기적인 '종이 기반' 배터리 개발⋯"식물에서 영감 얻어"

일본에서 희귀 금속이 필요 없는 종이 기반의 물로 활성화되는 배터리가 개발됐다. 일본 도호쿠대학(東北大學)의 재료연구소(AIMR) 연구진은 GPS 센서나 맥박 산소 측정기 센서에 사용할 수 있는 종이 기반의 고성능 마그네슘-공기(Mg-air) 배터리를 개발했다고 오일 프라이스가 14일(현지시간) 보도했다. 이변 연구는 종이의 재활용성과 가벼운 특성을 활용해 보다 환경 친화적인 에너지원으로 발전할 수 있는 가능성을 제시했다. 연구 보고서 논문 '희귀 금속이 없는 고성능 물 활성화 종이 배터리: 웨어러블 센싱 장치를 위한 일회용 에너지원'은 'RSC 인터페이스 응용(RSC Applied Interfaces)' 저널에 게재됐다. 종이는 지난 2000년 동안 인류 문명의 필수품이었다. 종이는 일반적으로 중국 후한 시대 105년 경에 채륜이 발명했다고 알려져 있다. 하지만 최근 중국에서 기원전 2세기 경으로 거슬러 올라가는 종이가 발견되기도 해 종이의 정확한 기원은 알 수가 없다. 글 쓰기를 통해 그동안 인류 역사를 기록해온 종이가 이제는 배터리에 활용돼 친환경적인 미래를 여는 중요한 역할을 하게 됐다. 가볍고 얇은 종이 기반 디바이스는 금속이나 플라스틱 소재에 대한 의존도를 낮추는 동시에 폐기하기도 더 쉽다. 이 연구의 교신 저자인 히로시 야부(Hiroshi Yabu) 교수는 "우리는 식물의 호흡 메커니즘에서 이 장치에 대한 영감을 얻었다"고 말했다. 야부 교수는 "광합성은 배터리의 충전 및 방전 과정과 유사하다. 식물이 태양 에너지를 이용해 땅의 물에서 설탕을, 공기에서 이산화탄소를 합성하는 것처럼, 우리 배터리는 마그네슘을 기질로 활용해 산소와 물에서 전력을 생성한다"고 설명했다. 연구팀은 배터리를 제작하기 위해 마그네슘 호일을 종이에 접착하고 음극 촉매와 가스 확산층을 종이 반대편에 직접 추가했다. 종이 배터리는 1.8V(볼트)의 개방 회로 전압, 100mA/cm²의 1.0V 전류 밀도, 103mA/cm²의 최대 출력을 달성했다. 야부 교수는 " 이 배터리는 인상적인 성능 결과를 보여줬을 뿐 아니라 독성 물질을 사용하지 않고 엄격한 평가를 통과한 탄소 음극과 안료 전기 촉매를 사용해서 작동한다"라고 덧붙였다. 연구팀은 맥박 산소 측정기 센서와 GPS 센서에서 이 배터리를 테스트해 웨어러블 디바이스에 대한 다용도성을 입증했다.
- 포커스온
2024-04-16
미국·영국, 러시아 자금줄 막기 위해 구리·니켈·알루미늄 수입 금지

미국과 영국은 우크라이나 침략 전쟁을 벌이는 러시아의 자금줄을 막기 위해 러시아산 구리, 니켈, 알루미늄 수입을 금지했다. 미국 재무부는 12일(현지시간) 미국과 영국 정부의 공동 조치로 시카고상업거래소(CME)와 런던금속거래소(LME)가 러시아산 알루미늄, 구리, 니켈 신규 생산(4월13일 이후 생산) 물량을 취급하는 것을 금지했다고 밝혔다. 미국 재무부는 4월 13일 이후 생산된 러시아산 알루미늄, 구리, 니켈의 거래를 시카고상업거래소(CME)와 런던금속거래소(LME)에서 금지했다. 다만, 양국은 현재 각 거래소가 보유한 기존 재고 물량은 예외로 했다. 미국과 영국은 이번 조치를 통해 러시아의 전쟁 자금 조달을 막고자 한다. 미국과 영국은 러시아산 알루미늄·구리·니켈에 대해 자국으로의 수입을 각각 금지했다. 재닛 옐런 미 재무장관은 "우리의 파트너인 영국과의 공조 하에 이뤄지는 핵심 광물에 대한 이번 제재는 우크라이나를 상대로 한 잔인한 전쟁을 계속하는 데 쓸 러시아의 재정 수입을 계속 겨냥할 것"이라고 밝혔다. 옐런 장관은 이어 "이번 제재는 정밀하고, 책임있게 시행함으로써 원치않는 파급효과로부터 우리 파트너와 동맹들을 보호해가면서 러시아의 수입을 감소시킬 것"이라고 강조했다. 러시아는 세계 알루미늄 생산량의 5%, 구리 4%, 니켈 6%를 차지한다. 이번 조치로 인해 런던금속거래소(LME) 등에서 러시아산 금속을 거래할 수 없게 되면서 러시아산 알루미늄 등의 국제 유통이 상당히 위축될 것으로 예상된다. 실제로 3월 말 기준 LME 창고의 니켈 재고 중 36%, 구리 재고 중 62%, 알루미늄 재고 중 91%가 러시아산이었다. 이번 조치는 러시아 경제에 상당한 타격을 줄 것으로 예상된다. 하지만, 글로벌 금속 시장에 변동성을 야기할 수 있다는 우려도 제기되고 있다.
- 산업
2024-04-13
미세 플라스틱, 인간 소변서도 발견⋯자궁내막증과 연관 시사

플라스틱이 인체에 미치는 다양한 연구가 진행되는 가운데. 인간의 소변에서 매우 강한 독성을 지닌 미세 플라스틱이 검출됐다. 과학 전문매체 더 쿨다운은 과학자들이 건강한 참가자와 자궁 내막 조직이 자궁 밖에서 자라는 만성 질환인 자궁내막증 환자의 소변 샘플에서 모든 종류의 미세한 입자(미세 플라스틱입자)를 검출했다고 지난 10일(현지시간) 보도했다. 이 연구는 4월 1일 '생태독성학 및 환경 안전 저널(Ecotoxicology and Environmental Safety)'에 게재됐다. 연궈 결과 두 집단 간의 미세 플라스틱 수치는 큰 차이가 없었지만, 검출된 미세 플라스틱의 종류는 달랐다. 건강한 사람의 경우 폴리에틸렌(27%)이 주를 이루었고, 자궁내막증 환자는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 59%)이 가장 많았다. 또한 건강한 사람의 검체에서는 폴리스티렌(16%), 레진(12%), 폴리프로필렌(12%) 등이 검출됐다. 연구에 따르면 폴리에틸렌은 자궁내막증 참가자의 샘플에서 발견된 미세 플라스틱의 16%를 차지했다. 자궁내막증 환자의 금속 카테터에서 두 번째 샘플 세트를 채취한 결과, 미세 플라스틱의 크기는 약 32 마이크로미터에서 22 마이크로미터로 다른 검체보다 상당히 작았다. 일반적인 미세 플라스틱 크기는 평균 177 x 117 마이크로미터이다. 1마이크로미터는 0.001밀리미터이다. 연구팀은 "미세 플라스틱은 모든 환경에서 발견되며 인체 음식 사슬에도 존재하고 최근 여러 인체 조직에서 검출됐다"고 밝혔다. 자궁내막증은 알려진 원인이 없으며, 과학자들은 미세 플라스틱 수치가 질병과 관련이 있는지, 염증을 유발하거나 화학 물질을 체내로 침출시키는지 여부를 조사했다. 연구팀은 "미세 플라스틱이 신체 내 이동 경로와 이러한 입자의 크기가 신장 사구체 여과 시스템을 통과하기에는 너무 큰 것으로 보이지만 어떻게 이 기관을 통과하거나 우회했는지, 그리고 이러한 미세 플라스틱 존재로 인한 잠재적인 생물학적 영향에 대한 중요한 새로운 질문을 제기한다"라고 밝혔다. 연구팀은 "이는 미세플라스틱의 체내 이동과 신장 사구체 여과 시스템을 통과하거나 우회하는 방법, 그리고 이러한 장기를 통과하기에는 너무 커 보이는 크기로 인해 잠재적인 생물학적 영향과 관련하여 중요한 새로운 의문을 제기한다"고 말했다. 또한 연구팀은 미세 플라스틱이 인체 내에서 어떻게 이동하는지 살펴본 결과, 미세 플라스틱의 크기와 모양도 문제라고 말했다. 또한 오염 물질이 "이론적으로는 신장의 작은 모세혈관을 따라 방광에 도달하기에는 너무 크다"고 지적했다. 이 논문은 미세 플라스틱이 인간에게 미치는 영향은 알려지지 않았지만 "폴리머 특성 분석과 절차적 공백을 설명하는 인간 소변의 미세 플라스틱 오염에 대한 최초의 증거"를 제공했다고 밝혔다. 연구팀은 "그러나 높은 수준의 미세 플라스틱과 염증성 질환, 특히 장 질환 간의 관련성이 나타나고 있다"고 말했다. 또한 "이전 세포 기반 노출 실험에서 불규칙한 모양의 미세 플라스틱이 특히 독성이 강한 것으로 나타났다"면서 "'염증 및 산화 스트레스 유형의 영향'이 자궁 내막증 환자에게도 유사하게 영향을 미칠 수 있다"고 지적했다. 미세 플라스틱과 더 작은 나노 플라스틱은 플라스틱으로 만든 물병이나 식품 용기 등이 시간이 지남에 따라 분해될 때 생성된다. 미세 플라스틱의 양을 줄이는 가장 좋은 방법은 플라스틱 소비를 줄이는 것이다. 예를 들어 영국과 프랑스에서는 대부분의 패스트푸드와 테이크아웃 음식점에서 플라스틱 식기류의 사용을 금지했다. 인도는 2022년에 일회용 플라스틱 사용을 금지했다. 워싱턴 포스트는 다른 연구 결과를 인용하여 미세 플라스틱이 암과 알츠하이머병 위험을 증가시키고 출산 문제를 유발할 수 있다고 보도했다. 또한 이러한 영향은 나이가 들면서 더욱 악화될 수도 있다. 또다른 연구에 따르면 미세 플라스틱은 심장마비와 뇌졸중 발병에도 연관되어 있다. 세계자연보호연맹(IUCN)에 따르면 매년 약 4억톤 이상의 플라스틱이 생산되고 있다. 프랑스 파리의 에펠탑 무게는 약 1만톤이다. 매년 에[펩탑 4만 개 이상에 해당되는 플라스틱이 생산되고 있는 셈이다. 그러나 전 세계적으로 재활용되는 플라스틱은 약 9%에 불과하다. 매일 더 많은 플라스틱이 생산되고 있기 때문에 기업이 플라스틱에 대한 의존도를 낮추는 것이 중요하다. 소비자는 유리나 스테인리스 재질로 된 재사용 가능한 물병을 구입하고 플라스틱을 사용하지 않는 브랜드를 지지하는 등의 노력을 기울일 수 있다. 또한 기술 개발로 식수에서 미세 플라스틱을 제거할 수 있다. '예방이 치료보다 낫다'는 말이 있다. 플라스틱을 줄이기 위한 이러한 작은 실천이 모여 더 안전하고 깨끗한 미래를 만들 수 있다.
- 생활경제
2024-04-12
반도체 칩 실장하는 기판도 전기 변화에 반응…소재 연구 획기적 전기 마련

컴퓨터 칩 설계에서 크게 고려되지 않는 재료가 실제 정보 처리에서는 중요한 역할을 하며, 이는 더 빠르고 효율적인 디바이스로 이어질 수 있다는 연구 결과가 나와 주목된다고 기술 전문지 테크익스플로어가 전했다. 펜실베이니아 주립대 연구진이 이끈 국제 연구팀은 반도체 칩을 실장하는 기판이 기판에 꽂히는 반도체 칩과 마찬가지로 전기 변화에 반응한다는 사실을 발견했다. 연구팀이 분석에 적용한 것은 고급 이미징 기술과 반도체 재료인 이산화바나듐이었다. 이산화바나듐은 바나듐과 산소가 1대 2 배율로 결합된 산화물 반도체 재료로, 전자 스위치로서 큰 가능성을 보여주었다. 팀은 또 이산화바나듐이 기판을 구성하는 물질인 이산화티타늄과 어떻게 상호작용하는지를 분석했는데, 그 결과는 놀라운 것이었다. 반도체가 전기가 흐르지 않게 하는 절연체와 전기가 흐르게 하는 금속 사이로 전환할 때 기판이 반도체 칩과 유사한 동작을 보여, 기판 자체에도 활성층이 있을 가능성이 높다는 사실을 발견한 것. 연구 책임자 펜실베이니아 대학 벤카트라만 고팔란 교수는 "기판이 반도체 공정에서 적극적인 역할을 할 수 있다는 사실은 미래의 재료와 장치를 설계하는 데 매우 중요하다"고 말했다. 이 연구 결과는 '어드밴스트머티리얼즈'에 실렸다. 고팔란은 "무어의 법칙을 극복하기 위해서는 더 작고 빠른 디바이스에 대한 새로운 아이디어가 필요하다"며 "주목되는 아이디어는 1조분의 1초 안에 금속(디지털 신호 1의 상태)과 절연체(0의 상태) 사이를 전환할 수 있는 이산화바나듐과 같은 물질이다"라고 설명했다. 금속-절연체 트랜지스터로서의 이산화바나듐의 가능성은 이미 밝혀졌으며, 이 물질은 에너지 소비가 특히 적어 반도체 기술에 유망하다. 그러나 이산화바나듐의 특성은 아직 완전히 풀리지 않았으며, 지금까지는 실제 디바이스에서 작동하기 보다는 격리된 상태에서 관찰하는 것이 일반적이었다. 이산화바나듐은 전자 효과와 밀접한 상관관계가 있다. 전자 사이의 반발력이 디바이스를 방해하기 때문에 현재의 실리콘계 디바이스에서 발생하는 것처럼 무시할 수 없다. 이런 특성 때문에 고온 초전도 및 강화된 자기 특성과 같은 새로운 기능의 재료를 만들 수 있다. 고팔란은 "이산화바나듐의 근본적인 물리적 성질은 아직 충분히 이해되지 않았으며 디바이스의 기하학적 구조에서의 성능도 마찬가지"라고 말했다. 그는 "만약 우리가 이산화바나듐을 제대로 동작시킬 수만 있다면, 전자공학의 르네상스가 일어날 것이다. 특히 신경망 컴퓨터인 뉴로모픽 컴퓨팅은 이 디바이스를 사용함으로써 엄청난 성과를 거둘 수 있다"고 강조했다. 연구팀은 이산화바나듐을 디바이스에 전압을 가하여 절연 상태에서 전도성 상태로 전환하는 과정에서의 변화를 조사했다. 이를 위해 강력한 X선 빔을 주사할 수 있는 아르곤 국립연구소의 첨단 광자원(APS: Advanced Photon Source)를 사용했다. 절연-전도성 전환에 대한 재료의 공간적, 시간적 반응을 매핑하면서 연구팀은 기판의 구조에 대한 예상치 못한 변화가 일어난 것을 관찰했다. 이산화바나듐 필름이 금속으로 변하면서 전체 필름 채널이 부풀어 오른 것. 일반적으로는 축소되어야 했는데, 반대 현상이 일어나 필름 구조에서 뭔가 다른 일이 벌어지고 있었던 것이다. APS X선은 이산화바나듐 필름을 통과하여 전기적, 기계적으로 수동적 물질인 이산화티타늄 기판에서 박막을 성장시켰다. 기판은 전기 펄스를 받아 이산화바나듐 필름이 절연체에서 금속으로 전환될 때 매우 활동적이고 완전히 새로운 방식으로 움직이고 반응했다. 펜실베이니아 대학 수학 및 공학팀은 이에 대한 이론 정립을 위해 시뮬레이션과 함게 이론적인 프레임워크도 개발했다. 연구진은 과거 수동적으로 반도체 칩만 실장하는 용도로 사용됐던 이산화티타늄 기판에서 아직 발견되지 않은 잠재적인 현상을 포함해 이산화바나듐의 숨겨진 기능을 파악하는 데도 큰 도움이 될 것이라고 기대했다. 이 연구는 10년에 걸쳐 진행됐는데, 앞으로도 추가 연구와 분석을 진행할 계획이다.
- IT/바이오
2024-04-08
[신소재 신기술(27)] 전고체배터리 스타트업 타이란신에너지, 초고에너지밀도 셀 공개

중국의 신재생 에너지 기업 타이란신에너지(太藍新能源·Talent New Energy)가 초고에너지 밀도를 갖춘 새로운 전고체 배터리 셀을 공개했다. 중국 전기차 전문매체 CNEV포스트는 전고체 리튬배터리 스타트업 타이란신에너지(이하 타이란)는 단일 셀 용량이 120Ah이고 실제 에너지 밀도가 720Wh/kg인 자동차 등급 전고체 리튬 금속 배터리 시제품을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난 3일(현지시간) 보도했다. 타이란은 지난 2일 성명에서 이 수치가 리튬 배터리의 단일 셀 용량과 에너지 밀도 부분에서 새로운 업계 기록이라고 밝혔다. 참고로 전기차 제조사 니오(Nio)의 150kWh 반고체 배터리 팩은 베이징 위리온 뉴 에너지 테크놀로지(위리온)의 셀을 사용하며, 용량은 360Wh/kg이다. 니오는 지난달 이 반고체 배터리 팩이 2분기에 출시될 예정이며, 니오 차량에 탑재돼 1회 충전으로 최대 주행 거리(단일 충전 기준)를 1000km 이상으로 늘릴 것이라고 밝혔다. 타이란의 전고체 배터리는 위리온의 반고체 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 높기 때문에 대량 생산이 가능하다면 전기차의 주행 가능 거리가 약 2000km에 달할 것으로 예상된다. 전고체 배터리와 반고체 배터리는 모두 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 두 배터리 기술의 주된 차이점은 전해질의 상태에 있다. 전고체 배터리는 액체나 젤 형태의 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 고체 전해질은 일반적으로 폴리머, 세라믹 또는 복합체로 만들어진다. 고체 전해질은 불연성이기 때문에 전통적인 리튬 이온 배터리보다 화재나 폭발 위험으로부터 더 안전하다. 또한 고체 전해질을 사용함으로써 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 즉, 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 반고체 배터리는 고체와 액체 성분을 혼합한 전해질을 사용한다. 즉, 부분적으로는 고체 물질을 포함하지만 액체 성분이 일부 존재한다. 반고체 배터리는 전고체 배터리로의 전환을 위한 중간 단계로 볼 수 있다. 타이란은 성명에서 초박막 고밀도 복합 산화물 전고체 전해질, 고용량 양극 및 음극 소재, 전고체 배터리 성형 공정 등 전고체 리튬 배터리의 여러 핵심 기술에서 혁신을 이뤄냈다고 밝혔다. 새로 발표된 배터리의 양극은 고용량, 수명이 긴 리튬이 풍부한 망간 기반 소재를 사용하고 음극은 초광대폭, 초박막이며 높은 사이클 안정성과 다양한 이점을 갖춘 리튬 금속 기반 복합 소재를 사용한다고 회사 측은 설명했다. 타이란은 또 양극 내 이온 및 전자 수송 네트워크를 효율적으로 구축해 양극 내부의 하전 입자 이동을 개선했다고 밝혔다. 아울러 자체 개발한 유연한 층 소재를 통해 배터리의 종합적인 성능 향상을 실현했으며, 이는 기존 리튬 이온 배터리의 주행거리와 안전성 문제 등을 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다고 전했다. 2018년에 설립된 타이란은 전고체 리튬 배터리 및 소재 기술 개발에 주력하고 있다. 2022년 3월 중국 부동산 개발업체 비구이위안(碧桂園·컨트리 가든)으로부터 투자를 유치한 바 있다. 타이란은 산화물 시스템을 기반으로 고체 전해질과 고체 리튬 배터리를 개발했으며 다양한 소재와 반고체 및 전고체 배터리에 대한 기술 파이프라인을 완성했다. 지난해 보도자료에 따르면 1세대 반고체 배터리의 에너지 밀도는 최대 400Wh/kg, 2세대 준고체 배터리는 400Wh/kg에서 500Wh/kg의 에너지 밀도를 달성했다. 타이란은 이러한 1세대 및 2세대 배터리는 여전히 액체 전해질을 포함하고 있으며, 2023년 7월에 3세대 전고체 배터리는 더 이상 액체 전해질을 포함하지 않을 것이라고 말했다.
- 포커스온
2024-04-05
[퓨처 Eyes(30)] 한국형 인공태양, 1억도 플라즈마 세계 신기록 수립

한국 핵융합에너지연구원(핵융합연·KFE) 연구팀은 인공태양 연구에서 획기적인 성과를 달성하며 과학 역사에 찬란한 족적을 남겼다. 바로 1억도 플라즈마를 48초간 유지하는 놀라운 기록을 세운 것이다. 이는 핵융합 에너지 실현이라는 꿈에 한 발짝 더 다가선 뜻깊은 성과이다. KSTAR(한국 초전도 토카막 핵융합 연구장치)라는 인공태양 핵융합로를 활용한 이번 연구는 한국 과학자들의 탁월한 기술력을 여실히 보여준다. 1억도라는 극한의 온도를 48초간 유지하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이는 핵융합 에너지 개발 분야에서 세계 최고 수준의 기술력을 자랑하는 한국 과학의 위상을 더욱 굳건히 하는 계기가 되었다. 토카막(Tokamak)은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적인 상태를 유지하도록 제어한다. 1억도 플라즈마 48초간 유지 KFE는 한국의 '인공태양'으로 불리는 KSTAR가 최근 실험에서 핵심 부품을 업그레이드해 태양 중심핵 온도의 7배에 해당하는 1억도의 플라즈마를 48초 동안 연속 운전하는데 성공했다고 지난 3월 27일 밝혔다. 이는 2022년 기록했던 30초를 크게 뛰어넘는 놀라운 발전이며, 핵융합 기술의 지속적인 진보를 보여주는 명확한 증거이다. 플라즈마는 높은 온도에서 전자와 양이온이 분리되어 형성되는, 전기적으로 중성인 기체 상태이다. 이는 태양과 별의 뜨거운 심장부에서 발견되는 특별한 물질 상태이며, 핵융합 반응의 필수적인 요소이다. KSTAR는 한국 초전도 토카막 첨단연구의 정식 명칭으로, 2022년에 1억도 플라즈마를 30초간 유지하는 기록을 세웠다. 텅스텐 디버터로 안정성 향상 2023년 12월 31일부터 3개월간 진행된 최근 테스트에서 KSTAR은 텅스텐 디버터를 사용해 플라즈마의 안정성을 크게 향상시키고 유지 시간을 48초까지 늘리는 데 성공했다. 이는 이전 기록 30초를 크게 뛰어넘는 성과다. 또한 저감속 모드보다 안정적인 고성능 플라즈마 운전 모드인 'H 모드(H-mode)'를 102초 동안 장시간 유지하며 기록을 경신했다. H-모드는 토카막형 핵융합 장치 운전시 특정 조건 하에서 플라즈마의 가둠 성능이 약 2배 증가하는 현상이다. 이는 핵융합 연구 분야에서 획기적인 진보를 의미하며, 미래 에너지 문제 해결에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 1억도 운전을 추진한 고성능시나리오연구팀 한현선 박사는 "1억도 초고온 이온 플라즈마(High-Ti shot) 운전을 기존 30초에서 48초간 유지 달성하며 우리의 운전 방식이 40초대에서도 유효함을 확인했다. 지난해에는 플라즈마를 충분히 가열하고 유지할 파워가 부족해 실험이 어려웠다. 이번에는 중성자빔 가열장치의 성능 향상이 48초 유지의 바탕이 됐다"며 1억도 플라즈마의 장시간 운전은 초고온 플라즈마에 대한 이해를 높일 수 있는 자료이자 향후 핵융합 발전로에 쓰일 새로운 운전 모드 연구의 기반이 된다고 말했다. 텅스텐 재질 디버터(divertor)의 도입이 이러한 획기적인 성과를 가능하게 했다. 디버터는 핵융합 반응에서 발생하는 열과 불순물을 제거해 플라즈마 오염을 최소화하고 주변 장벽을 보호하는 역할을 한다. 텅스텐은 기존 탄소 재질보다 녹는점이 훨씬 높아 열 부하에 대한 내구성이 뛰어나다. 실험 결과, 텅스텐 디버터는 동일한 열 부하 상황에서 표면 온도 상승률이 25% 감소했다. KSTAR 연구 본부 고성능시나리오팀 김현석 선임연구원은 "디버터는 플라즈마의 열속이 집중되는 부분이다. 이번 테스트를 준비하면서 KSTAR처럼 토카막 내벽을 텅스텐으로 교체한 해외 융합 장치들의 사례를 토대로 KSTAR의 새로은 텅스텐 환경이 기본 카본 환경과 크게 다르지 않을 것으로 에상했다. 하지만 초기 실험에서 무언가 달랐다"고 전했다. 김 연구원은 "초기에 토카막 내벽 온도가 잘 안 올라갔다. 디버터는 소재만 바뀐 게 아니라 아랫부분의 구조(형상)도 기존 직선형에서 고래꼬리 형태로 바뀌었다. 형상과 소재 두 가지 요인이 복합적으로 작용해서 플라즈마 성질이 바뀌었는데, 바뀐 형태에서 어떻게 해야 좋은 성능을 발휘할 수 있을지 고민했다. 샷이 발생하면 과거의 형상을 만드는 것에서 시작해서 플라즈마 성능을 잠시 유지하고 안정이 되면 바뀐 디버터 형상으로 바꾸어 유리하는 전략으로 운전하며 기존 성능을 재현할 수 있엇다"고 설명했다. 핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵을 만들면서 엄청난 양의 에너지를 방출하는 과정이다. 모든 금속 중 가장 높은 녹는점(3422°C)을 자랑하는 텅스텐은 핵융합 반응의 극한 환경에서도 흔들림 없이 자리한다. 또한 낮은 불순물 형성은 플라즈마 오염을 최소화하여 핵융합 반응의 순도를 높이는 데 기여한다. 프랑스에 건설 중인 ITER 실험로는 핵융합 에너지의 실현 가능성을 검증하는 국제 핵융합 연구의 중심 무대이다. 텅스텐 다이버터를 사용하는 ITER 실험로는 내년 첫 플라즈마 생성을 목표로 하고 있다. KSTAR의 이번 성과는 ITER 실험로의 성공적인 운영에 중요한 데이터를 제공할 것으로 기대된다. 한국핵융합연구소 소장은 이번 성과가 미래 핵융합 발전 시설 개발에 필요한 핵심 기술 확보에 중요한 발걸음이라고 강조했다. 연구팀은 앞으로 ITER 운영 및 미래 핵융합 발전 시설에 필수적인 핵심 기술 확보에 집중할 계획이다. 연구팀은 '토카막'이라 불리는 도넛 모양의 핵융합로 안에 뜨거운 플라즈마를 가두어 물을 가열하고 터빈과 발전기를 사용하여 생성된 증기를 전기로 전환함으로써 반응에서 순 양의 에너지를 획득할 수 있기를 희망한다. 토카막 융합로의 다양한 성과 한편, 전 세계 다른 토카막 핵융합로 또한 최근 몇 년 동안 중대한 성과를 거두었다. 지난해에는 중국 과학자들이 실험용 첨단 초전도 토카막 내부에 플라즈마를 403초 동안 유지하는 데 성공했다. 또한 영국은 JET(Joint European Torus) 장치를 사용해 핵융합 에너지 세계 기록을 수립했다. 뉴사이언티스트에 따르면 단 5초 동안이지만 약 1만 2000가구에 전력을 공급할 수 있는 69메가줄의 에너지를 생산했다. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소는 재래형 토카막 설계와는 크게 다른 레이저 기반 핵융합로인 내셔널 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility)에서 투입한 에너지의 두 배를 얻었다고 주장했다. 하지만 이러한 모든 연구 결과가 핵분열 원자로를 완전히 대체할 수 있는 핵융합 에너지 혁명으로 이어질지 여부는 아직 불확실하다. 위에서 언급한 것처럼 프랑스 남부 생폴레즈듀랑스 카다라쉬에 다국적 거대 핵융합 연구 시설 'ITER(국제핵융합실험로·International Thermonuclear Experimental Reactor)'가 건설되고 있다. ITER 총 사업 기간은 2007~2042년으로 건설과 운영, 방사능감쇄, 해체 등 4단계를 포함한다. 총건설비는 약 117.7억유 한국을 비롯해 중국, 인도, 일본, 유럽연합(EU·29개국) 등 35개국이 참여하는 이 프로젝트는 핵융합 에너지 상용화의 가능성을 판단하는 중요한 단계이며, 현재까지 건설된 토카막 핵융합로 중 가장 큰 규모를 자랑한다. 2007년 설립된 ITER는 2025년 완공 예정이다. 현재 우리가 사용하는 화석 연료 대신 안전하고 지속 가능한 에너지원 개발 가능성을 가진 ITER는 완공 후 핵융합 실험을 통해 핵융합 에너지의 실현 가능성을 평가할 계획이다. 프랑스의 ITER 시설이 완공되면 인공태양으로 불리는 핵융합에너지에 대한 실용성과 타당성 등에 대한 중요한 답변을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-04-04
인위적인 재충전 필요 없는 전기자전거 첫 출시

지금까지의 전기자전거는 재활용이 불가능한 배터리를 장착하고 있었다. 그런데 이런 전기자전거의 시대가 끝날 것이라는 전망이 나왔다. 이러한 변화는 슈퍼커패시터(콘덴서)에 초점을 맞춘 프랑스 제조업체의 혁신 덕분이라고 한다. 프랑스의 루아레 주의 주도 오를레앙에서 인위적인 배터리 재충전이 필요 없는 세계 최초의 전기자전거가 등장했다고 보스턴 에머슨칼리지 학생들이 운영하는 독립 라디오방송국 WECB가 보도했다. 보도에 따르면 'PI-POP'이라는 브랜드의 이 전기자전거는 마이크로모빌리티 산업의 혁신적 변화다. 인위적인 배터리 충전 방식이 아니라면 어떻게 자전거가 전기로 작동할 수 있을까? 그 비밀은 바로 슈퍼커패시터로 구동되는 방식이다. 슈퍼커패시터는 콘덴서 가운데 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로, 전지 기능을 주 목적으로 사용하도록 만들어진 부품이다. 중요한 것은 외부로부터의 충전이 아니기 때문에 특히 기후 변화 대응력이 높다는 점이다. 이러한 친환경 전기자전거의 탄생은 7년간의 고민과 연구, 개발이 있기에 가능했다. 개발팀은 이 자전거가 "사람들에게 필요한 세계 최초의 전기 보조 자전거"라고 강조한다. 작동 원리는 간단하다. 페달을 밟으면 전기 에너지가 생성되고, 이 에너지는 슈퍼커패시터에 저장되며, 시스템이 빠르게 재충전될 때 마법이 일어난다. 평지나 내리막에서 페달을 돌리면 충전되고, 오르막길을 달릴 때는 저장된 전기를 사용해 올라간다. 충전을 위해 전원을 연결하지 않는다. 오직 페달링으로 재충전되는 것이다. 특히 좋은 점은 건강을 위한 운동도 수반한다는 점이다. 평지에서 페달을 돌리면 충전과 함께 신체적인 단련도 동시에 이루어진다. 운동이 필요한 장년 및 노년층에게 더 바람직한 이동성 옵션이 될 수 있다. 신진대사가 활발한 청소년층에게도 도움이 된다. 배터리 자체도 기후 변화에 더 잘 대응할 수 있는 솔루션이다. 전 세계적으로 희귀한 금속이며 재활용도 어려운 리튬에 의존하는 배터리 기반 기존 전기 자전거보다 훨씬 친환경적이다. PI-POP 자전거의 슈퍼커패시터는 재활용성이 높은 탄소, 알루미늄, 셀룰로오스, 폴리머로 구성된다. 배터리 수명도 표준 배터리의 3~5년에 비해 10~15년으로 3배 이상 길어졌다. 친환경 전기자전거의 가격은 2450유로(약 356만원)이다. 획기적인 발전으로 지속 가능하고 환경 친화적인 마이크로모빌리티 옵션을 통해 전기 이동성으로 전환할 수 있는 경계가 더욱 넓어지고 있다는 평가다.
- IT/바이오
2024-04-02
일본과 EU, 칩 및 전기차용 첨단 소재 개발 추진

일본과 유럽연합(EU)이 칩과 전기차 배터리 등의 분야에서 첨단 소재 개발을 위해 공식적으로 협력할 계획이라고 닛케이 아시아가 31일(현지시간) 보도했다. 이는 중국에 대한 의존도를 줄이기 위한 노력의 일환이다. 유럽집행위원회 연구혁신총국을 관할하는 일리아나 이바노바 집행위원은 닛케이와의 인터뷰에서 오는 4월 예정된 협력 프레임워크 구축 계획을 밝혔다. 이바노바 집행위원은 "우리는 같은 생각을 가진 파트너로서 협력을 확대하고, 각자의 연구 및 혁신 프로그램에 따라 진정한 협력과 호혜의 정신으로 협업 기회를 추구하는 것을 중요하게 생각한다"고 말했다. 이어 "일본과 EU는 여전히 첨단 소재 혁신 분야에서 세계를 선도하고 있다"고 덧붙이며, 2020년에 이 산업에 대한 투자가 EU에서는 198억 유로, 일본에서는 140억 유로에 달할 것이라고 언급했다. 양측은 '첨단 소재에 관한 대화'라는 이름으로 주로 사무국 간 협력 제안에 대한 정기적인 논의를 시작할 예정이다. 첨단 소재를 연구하는 일본과 유럽의 기관들도 참여할 예정이다. EU는 양측이 재생 에너지, 모빌리티, 건설 및 전자 제품 관련 소재 분야에서 협력할 것을 요청했다. 특히 전기 자동차의 차세대 동력원으로 부상하고 있는 나트륨 이온 배터리의 개발이 예상되는 분야 중 하나이다. 이 배터리는 중국이 장악하고 있는 희귀 금속을 사용하지 않으며 기존 배터리보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있다. EU는 또한 태양전지 패널의 변환 효율을 향상시킬 수 있는 금속 나노 입자에 대한 일본의 지식을 활용하기를 희망한다. 스마트폰의 에너지 절약을 도울 수 있는 나노 입자도 논의 중인 소재 중 하나이다. EU는 앞으로 첨단 소재에 연구비를 집중하고 개발 및 대량 생산에 상당한 지원을 제공할 계획이다. 이바노바 집행위원은 일본과 EU가 첨단 소재에 대한 국제 표준을 만드는 데 협력할 수 있기를 희망한다고 밝혔다. 이바노바 집행위원은 또 "나노 정보학을 기반으로 나노 물질의 안전성 평가를 위한 표준 방법을 개발하는 데 함께 일하고 싶다. 이러한 표준 방법은 첨단 기술 응용 분야의 안전 및 환경 관리를 보장하기 위해 OECD 내에서도 논의되고 있다"고 덧붙였다.
- 경제
2024-03-31
2월 수출금액지수, 반도체 수출 증가로 3.7%↑⋯5개월 연속 상승세

한국의 2024년 2월 수출금액지수와 물량지수가 반도체 수출 증가에 따라 상승세를 이어갔다. 한국은행이 27일 발표한 '무역지수 및 교역조건'(달러 기준) 통계에 따르면 2월 수출금액지수는 124.24(2015년 100 기준)로 1년 전보다 3.7% 증가했다. 지난해 10월 이후 5개월 연속 상승세를 유지했다. 품목별 세부 항목을 살펴보면 반도체를 중심으로 한 컴퓨터와 전자·광학기기(35.9%)가 상승세를 이끌었다. 1차 금속제품(-13.3%), 섬유 및 가죽제품(-11.3%) 등은 두자릿수 이상 큰 폭으로 떨어졌다. 수출물량지수(121.46)도 1년 전보다 3.8% 증가했다. 지난해 9월 이후 6개월째 상승세를 이어가고 있다. 컴퓨터·전자·광학기기(29.9%)의 상승률이 급증했다. 그러나 1차 금속제품(-8.0%) 운송장비(-7.1%) 등은 하락세를 보였다. 유성욱 한국은행 물가통계팀장은 "반도체 수출물량지수가 2012년 6월(53.5%) 이후 11년 8개월 만에, 반도체 수출금액지수는 2017년 12월(67.3%) 이후 6년 2개월 만에 최고 증가율을 기록했다"고 말했다. 2월의 수입금액지수(133.33)와 수입물량지수(113.65)는 1년 전에 비해 각각 13.5%, 9.7% 감소했다. 특히, 화학제품(-22.4%), 1차 금속제품(-18.4%), 운송장비(-16.1%) 등의 수입금액 감소가 두드러졌다. 수입물량지수 하락을 이끈 주요 품목으로는 화학제품(-14.2%), 운송장비(-12.5%), 1차 금속제품(-11.7%) 등이 있다. 유 팀장은 화학제품의 수입금액지수와 물량지수가 지난해부터 이어진 이차전지 수요 감소로 하락했으며, 1차 금속제품의 수입 감소는 전방 산업의 부진 때문으로 진단했다. 순상품교역조건지수(87.29)는 1년 전 대비 4.3% 상승해 9개월 연속 상승세를 보였다. 이는 수입 가격(-4.2%)이 수출 가격(-0.1%)보다 더 크게 하락했기 때문이다. 순상품교역조건지수는 수출 상품 한 단위의 가격과 수입 상품 한 단위의 가격 비율로, 한국이 한 단위의 수출로 얼마나 많은 양의 상품을 수입할 수 있는지를 나타내는 지표다. 소득교역조건지수(105.90)는 수출물량지수(3.8%)와 순상품교역조건지수(4.3%)가 모두 증가하며, 1년 전 대비 8.3% 상승했다. 소득교역조건지수는 한국의 수출 총액으로 수입할 수 있는 전체 상품의 양을 나타내는 지표다. 유 팀장은 "천연가스와 석탄 같은 광산품의 수입 가격이 약세를 보이는 동안, 반도체 수출 가격 상승으로 인해 수출 가격의 하락 폭이 줄어들어 수입 가격이 수출 가격보다 더 크게 떨어졌다"고 설명했다.
- 경제
2024-03-27
[신소재 신기술(21)] 홍게껍질로 반도체 및 에너지 저장 기능 갖춘 나노시트 개발

일본 과학자들이 홍게의 껍질에 포함된 키토산으로 만든 나노섬유에서 반도체와 에너지 저장 특성을 발견했다. 26일(이하 현지시간) 뉴스마이네비에 따르면 일본 도호쿠대학(東北大學) 연구팀은 홍게 껍질에 포함된 불용성 식이섬유의 일종인 '키토산'으로 만든 나노섬유(ChNF) 조직을 제어해 만든 나노미터 두께의 시트 소재에서 반도체 특성과 에너지 저장 특성을 나타내는 것을 발견했다고 25일 밝혔다. 이번 성과는 도호쿠대 미래과학기술공동연구센터 후쿠하라 미키오 학술연구원, 동 대학 하시타 토시유키 특임교수, 도쿄대 이소카이 아키라 특임교수 등의 공동연구팀에 의해 이루어졌다. 연구 결과는 미국 물리학 협회에서 발행하는 학술지 'AIP-Advances'에 게재됐다. 이번 연구는 친환경적인 반도체와 에너지 저장 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다. 반도체는 실리콘으로 대표되는 원소 반도체와 갈륨비소(GaAs) 및 '파이(π) 공액 고분자'와 같은 화합물 반도체로 크게 두 가지로 분류된다. 두 반도체 모두 광물이나 인공 화합물에서 금속을 정제해 만드는데, 생산 과정에서 많은 양의 에너지가 필요하고 환경에 미치는 영향이 크다. 연구팀은 절연체로 인식되는 종이와 셀룰로오스의 나노 크기 미세 구조체인 케나프 식물에서 추출한 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose Nanofibers·CNF)를 이용해 전하 분포와 전자 이동을 측정했다. 그 결과, '템포 산화 CNF(TEMPO-oxidized CNF, TEMPO 촉매를 사용해 산화 처리된 셀룰로오스 나노섬유)'는 고전압 단시간 충전 특성을, CNF는 n형 음의 저항을 나타내는 n형 반도체의 다양한 특성을 발견했다. 이 연구에서는 식물 셀룰로오스와 분자 구조가 유사하고 지구상에서 두 번째로 풍부한 바이오매스 화합물인 동물성 키토산에 초점을 맞췄다. 연구팀에 따르면, 키토산에는 케나프(CNF)에서 발현되지 못했던 고속 충전 특성이 발견됨과 동시에 액체 누출 등의 문제를 극복할 수 있는 고체형 축전지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 키토산과 같은 자연 유래의 해양 바이오매스 소재를 반도체, 에너지 저장 분야에 활용할 수 있다면 폐기물을 줄여 자원순환형 사회 조성에 기여할 수 있다. 이번 연구에서는 홍게 껍질로 만든 키토산 나노섬유(ChNF)를 대표적인 동물성 소재로 활용하고, 섬유 길이를 300nm 이하로 제어한 ChNF 시트에 Al 전극을 부착한 소자를 제작했다. ChNF 시트 소자의 I(전류)-V(전압) 특성, AC(교류) 임피던스, 주파수 분석, 축전성을 측정한 결과, 전압 제어에 의한 전압 유도 반도체와 같은 특성이 나타나는 것을 확인했다. 또한, ChNF 시트의 -210~+80V 범위에서 동작 속도 1.24V/s의 승강 전압에 대한 I-V 특성에서 음전압 영역에서 전류의 전압 의존성이 역전되는 거동, 이른바 n형 반도체 특성을 보였다. 즉, I-V 특성은 옴의 법칙을 따르지 않고, 전압 상승에 따라 일정 전압 이상에서 전류가 감소하는 음극 저항이 발현된 것이다. 반면, R(저항)-V(전압) 특성을 분석한 결과, 승압 -1V~0V, 강압 +2V~0V 사이에서 3자리 스위칭 효과를 보이는 특성이 관찰됐다. 또한 10~500V에서 2mA의 전류로 5초간 충전한 후 1μA의 정전류로 방전했을 때 충전 전압 대비 저장 용량의 변화를 조사한 결과, 전압 증가에 따라 저장 용량이 선형적으로 증가하며 450V부터 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 다음으로 ChNF 시트의 AC 임피던스 특성을 측정한 결과, 저저항과 고저항의 두 개의 반원을 가진 나이키스트 선도(The Nyquist diagram)를 얻었다. 두 개의 반원은 원자간력 현미경 이미지 관찰을 통해 각각 120~350nm의 바늘 모양과 구형으로 이루어진 갑각류 외골격과 세포벽 조직의 기여하는 것으로 추론했다, 이 나이키스트 선도의 특성으로부터 ChNF 시트는 직류와 교류 영역에서 동일한 회로를 가질수 있음을 시사했다. 연구팀은 또한, 반도체 특성의 전자의 기원을 규명하기 위해 ESR 분석을 시도했다. 전자의 기원을 결정하는 단수 대칭의 피크를 관찰했고, 스펙트럼 강도의 선도가 횡축과 교차하는 자기장의 g값을 통해 키토산의 생성 전자는 비정질 키토산에서 발생하는 아미닐 라디칼(NH¯₂)에서 생성된 전자임을 확인했다. 연구팀은 이번 성과에 대해 "저밀도 경량 반도체 및 에너지 저장 장치 제작을 통해 천연 유래의 바이오 소재 자원을 활용함으로써 지구의 생물 순환 시스템을 활용한 바이오 일렉트로닉스가 발전할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
- 포커스온
2024-03-27
[신소재 신기술(18)] 재충전 가능한 콘크리트 배터리 개발

스웨덴에서 시멘트를 재충전 가능한 배터리로 전환하는 데 성공했다. 과학 기술 전문 매체 쿨다운(TCD)과 ZME 사이언스는 21일(현지시간) 스웨덴 찰머스 공과대학교(Chalmers University of Technology) 과학자들은 전기 전도성 섬유를 시멘트 기반 혼합물에 통합하는 방법을 발견했다며 이같이 보도했다. 찰머스 공과대학교의 연구원들은 세계에서 가장 흔한 건축 자재인 시멘트를 배터리로 전환하는 방법을 개발하고 있다. 이 혁신을 통해 콘크리트 슬래브를 배터리로 바꿀 수 있다. 이 개념은 가정과 건물에 전력을 공급하는 방식을 바꿀 수 있을 뿐만 아니라 시멘트 생산으로 인한 전 세계 대기 오염의 약 9%를 상쇄하는 데 도움이 될 수 있다. 21일 ZME사이언스에 따르면 콘크리트 산업은 대기 중으로 배출되는 탄소의 최대 9%를 차지하는 거대한 탄소 배출원이다. 공해는 치매와 뇌졸중 위험 증가와 관련이 있기 때문에 시멘트 충전 배터리는 더 깨끗한 공기와 더 건강한 정신과 신체를 의미할 수 있다. 이 프로젝트에 참여한 연구원 엠마 장(Emma Zhang) 박사는 "우리는 이 기술을 통해 향후 다층 건물의 전체 구간을 기능성 콘크리트로 만들 수 있을 것이라는 비전을 가지고 있다"고 찰머스의 논문 요약에서 밝혔다. 연구팀은 전통적인 표준 시멘트 제조법에 '소량'의 전기 전도성 탄소 섬유를 추가했다. 이를 통해 콘크리트 혼합물에 전도성과 강도를 더했다. 연구팀은 또한 철과 니켈을 각각 양극과 음극으로 사용하는 '금속 코팅 탄소 섬유 메쉬'도 추가했다. 과학자들이 콘크리트 배터리를 만들려고 시도한 것은 이번이 처음은 아니다. 그러나 이 새로운 방법은 에너지 밀도 측면에서 엄청난 발전을 이뤘다. 질량 대비 콘크리트가 저장할 수 있는 에너지의 양은 기존 배터리만큼 많지는 않지만, 찰머스 보고서에 따르면 다른 콘크리트 배터리 개념보다 최대 10배 더 우수하다. 장 박사는 "우리가 개발한 재충전 가능한 이 특별한 아이디어는 이전에 한 번도 탐구된 적이 없다. 이제 우리는 실험실 규모의 개념 증명을 갖게 됐다"고 밝혔다. 이어 "예를 들어 태양 전지 패널과 결합하여 전기를 공급하고 콘크리트 배터리로 작동하는 센서가 균열이나 부식을 감지할 수 있는 고속도로나 교량의 모니터링 시스템을 위한 에너지원이 될 수도 있다"고 말했다. 연구팀은 6번의 충전-방전 주기를 통해 발명품을 실행하여 콘크리트 배터리 혼합물을 완성했다. 이번 연구 결과는 '빌딩스(Buildings)' 저널에 실렸다. 시멘트 배터리는 실험실에서 테스트되었으며 작동했다. 하지만 에너지 밀도는 그다지 높지 않다. 현재는 평방미터당 7Wh(와트시), 리터당 0.8와트시에 불과하다. 이에 비해 스마트폰과 전기차에 전력을 공급하는 리튬이온 배터리의 에너지 밀도는 무려 250Wh/L~700Wh/L에 달한다. 상업용 배터리보다 시멘트 베터리 밀도가 훨씬 낮지만 콘크리트 건물은 거대하기 때문에 가치가 있다. 이론적으로 새 건물의 대형 콘크리트에 상당한 양의 콘크리트 배터리를저장할 수 있다. 구상되는 시멘트 배터리 애플리케이션은 LED 전원 공급부터 원격 위치의 4G 연결 제공, 심지어 콘크리트 인프라를 부식으로부터 보호하는 것까지 다양하다. 장 박사는 "예를 들어 태양전지 패널과 결합해 전기를 공급하고 콘크리트 배터리로 작동하는 센서는 균열이나 부식을 감지할 수 있는 고속도로나 교량의 모니터링 시스템을 위한 에너지원이 될 수도 있다"고 말했다. 연구팀은 요약문에서 시멘트 배터리의 실험적 조합이 상용화되기 전에 더 많은 테스트가 필요하다는 점을 인정했다. 연구팀의 루핑 탕(Luping Tang) 교수는 "우리는 이 개념이 미래의 건축 자재가 재생 에너지원과 같은 추가 기능을 갖도록 하는 데 크게 기여할 것이라고 확신한다"고 말했다. 한편, 미국 내 전문가들은 에너지 저장 솔루션을 개발하기 위해 자체적인 콘크리트 제조법을 연구하고 있다. 매사추세츠 공과대학의 연구원들은 시멘트, 물, 카본 블랙이라는 물질을 사용해 슈퍼커패시터(또다른 배터리로 전기 에너지를 저정하는 장치)를 만들어 집의 기초를 배터리로 전환하고 있다. 슈퍼커패시티는 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 게면에서의 이온 이동이나 표면 화학 반응을 통해서 작동한다. 불과 몇 초 내의 빠른 충전과 방전이 가능하며 수십만 번의 충전과 방전 사이클을 견딜수 있는 긴 수명과 안정성 등이 특징이다. 하지망 아직 배터리만큼 높은 에너지밀도를 가지고 있지 않아 모든 뷴야에 대체할 수 없다. 이러한 발명은 미래를 위한 여러가지 잠재력을 가지고 있다. 그러나 최대 100년까지 지속될 수 있는 콘크리트 구조물의 수명에 맞춰 배터리의 수명을 연장하고 효과적인 재할용 방법을 개발해야 하는 과제를 안고 있다.
- 포커스온
2024-03-22
중국, 달 뒷면 탐사 지원 위해 위성 발사

중국이 달 뒷면 탐사를 지원하는 위성을 발사했다. 중국 국가우주국에 따르면, 중국 남부 하이난성의 원창 발사장에서 베이징 시간으로 오전 8시 31분에 창어 2호 중계 위성이 창어 8호 로켓에 실려 궤도에 진입했다고 로이터통신과 타임 등 다수 외신이 보도했다. 관영 언론은 20일 까치로 만든 신화 속 다리의 이름 오작교를 딴 1.2미터 톤급 퀘차오 2호(Queqiao-2)와 소형 위성 톈두 1, 2호를 탑재한 창어 8호 로켓이 남부 하이난성에서 발사됐다고 보도했다. 1.2톤급 이 위성은 올해 상반기에 달의 뒤쪽을 탐사할 예정인 중국 우주선 창어 6호와 통신을 주고 받는 데 필요하다. 달의 가까운 쪽은 항상 지구를 향하고 있지만 달의 뒤쪽은 가시선이 없기 때문에 데이터를 전송할 수 없다. 즉, 달의 뒤쪽은 지구와 마주 보지 않기 때문에 창어 6호는 지구와 신호를 주고받기 위해 퀘차오 2호를 사용해야 한다. 중국은 2019년 달의 뒤쪽에 착륙한 최초이자 지금까지 유일한 국가가 됐다. 창어 2호는 2026년 창어 7호와 2028년 창어 8호의 달 탐사를 위한 중계 플랫폼으로도 활용될 예정이다. 2040년까지 창어 2호는 달 탐사 및 화성, 금성 등 다른 행성 탐사를 위한 통신 교량 역할을 하는 중계 위성 군의 일부가 될 것이다. 또한 달의 남극에 건설 예정인 중국의 연구 기지에 통신, 내비게이션, 원격 감지 기능을 지원할 예정이다. 또한 창어 2호는 미국, 인도, 일본 등 다른 나라에서 배치한 6개의 궤도선과 합류할 계획이다. 창어 2호의 설계 수명은 최소 8년으로, 중국이 달에 첫 우주인을 착륙시킬 것으로 예상되는 2030년 이후에도 달 임무를 지원할 수 있을 것으로 보인다. 이 위성은 달의 남극에 근접한 궤도에 진입하여 중국이 연구 전초기지를 건설할 것으로 예상된다. 달의 남극은 물이 존재하는 지역으로 알려져 있다. 물의 존재는 생명체 존재를 시사해 달 남극 지역은 인도와 미국 등 우주 강국의 주목을 받고 있다. 2008년 인도 탐사선 찬드라얀 1호가 달 표면에 퍼져 있고 극지방에 집중된 수산기 분자를 감지하면서 달에 물이 존재하는 것이 알려졌다. 물은 인간의 생명에 필수적이다. 또 수소와 산소의 원천이 될 수 있고 로켓 연료로 사용될 수 있다. 달에는 물을 비롯해 헬륨-3, 스칸듐, 이트륨 등 희토류 금속이 있다. 보잉의 연구에 따르면 달에는 스마트폰, 컴퓨터 및 첨단 기술에 사용되는 희토류 금속인 스칸듐, 이트륨 및 15란타나이드 등이 존재한다. 달에 물이 존재한다는 것은 주요 우주 강대국에 큰 영향을 미친다. 인간 생명에 필수적인 물의 존재로 인해 인간이 행성에 더 오래 머물면서 달 자원을 채굴할 수 있게 할 것으로 보인다. 올해 말 발사될 예정인 '창어 6호'는 달의 뒷면에서 처음으로 샘플을 채취해 지구로 가져올 계획이다. 또한, 중국은 2040년까지 달 남극에 영구적인 국제 연구 기지를 구축하기 위한 목표를 세우고 있다. 중국과 미국 양국은 모두 2030년까지 우주 비행사를 달에 보낼 계획을 세우고 있다.
- 산업
2024-03-20
[신소재 신기술(15)] 배터리 스타트업 코어셸, 주행거리 희생 없는 저렴한 LFP배터리 선봬

배터리 소재 스타트업인 코어쉘(Coreshell)은 저렴한 리튬 이온 배터리 제조 기술을 개발했다고 발표했다. 미국 기술전문매체 티크크런치는 15일(현지시간) 코어쉘이 야금용 실리콘을 활용한 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극으로 만든 전기차 배터리를 내년부터 양산에 들어간다 보도했다. 회사에 따르면 kWh당 최대 30% 저렴한 비용으로 비교할 수 없는 충전 성능과 안전성을 갖춘 배터리를 만들 수 있다. 야금 등급 실리콘은 고순도 실리콘보다 저렴할 뿐만 아니라 일반적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 비용의 약 절반에 불과하다는 설명이다. 현재 전기자동차(EV) 보급의 가장 큰 장애물 중 하나는 비용이다. 소비자들은 현재 대부분의 전기자동차는 휘발유 차량보다 가격이 높아 구매를 망설이고 있다. 실리콘은 리튬이온배터리의 음극 단자인 양극에서 흑연을 대체할 수 있는 잠재력이 있다. 실리콘과 흑연 모두 배터리가 충전 중일 때 리튬 이온을 받아들이고 저장한다. 실리콘은 훨씬 더 많은 양의 전기를 저장할 수 있지만 단점이 있다. 충전할 때 양극이 부풀어 오르는 경향이 있다. 흑연 음극은 약간 부풀뿐 크게 팽창하지는 않는다. 하지만 실리콘 양극은 충전할 때 풍선처럼 부풀어 원래 크기의 몇 배까지 팽창할 수 있다. 이를 보완할 수 있는 소재가 없으면 충전과 방전을 반복하면 양극이 무너질 수 있다. 실리콘 음극 기술 개발 경쟁 이에 실리콘의 배터리 성능 향상 잠재력을 인식한 여러 스타트업은 실리콘의 팽창 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 대부분의 접근 방식은 실리콘의 팽창 특성을 수용하기 위해 특수한 미세 구조를 사용한다. 이들 기업은 자체 개발 배터리를 제조하기 위해 더욱 정제되고 비용이 높은 실리콘을 사용한다. 결과적으로 실리콘 음극은 현재까지 가격 프리미엄을 보다 쉽게 흡수할 수 있는 소비자 전자 제품 및 고급 전기자동차 시장을 타겟으로 했다. 코어쉘은 이전에는 다양한 배터리 재료의 성능 저하를 늦추는 코팅 기술에 주력했지만, 현재는 실리콘 전문 기업으로 전환했다. 조나단 탄 코어쉘 공동 설립자 겸 최고경영자(CEO)는 테크크런치와의 인터뷰에서 "우리는 2년 전 야금용 실리콘 분야에서 획기적인 발전을 이루었다"라고 말했다. 그는 야금용 실리콘 코팅은 충전 및 방전 사이클을 통해 재료를 유지하는 데 도움이 되는 탄력적인 특성을 가지고 있으며 표면 저하도 방지한다고 강조했다. 탄 CEO는 "시장에 출시한 이 기술은 내년부터 상용화에 집중할 것"이라고 밝혔다. 야금 등급 실리콘, 흑연 비용의 절반 탄 CEO는 지난 14일(현지시간) 국제 배터리 세미나의 프레젠테이션에서 야금 등급 실리콘은 고순도 옵션보다 저렴할 뿐만 아니라 일반적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 비용의 약 절반에 불과하다고 말했다. 코어쉘은 이번 주 금속 생산업체인 페로글로브와 야금용 실리콘 공급 계약을 체결했다. 야금용 실리콘은 전 세계 흑연 공급망을 쥐고 있는 중국을 벗어날 수 있는 지정학적 파급 효과도 있다. 벤치마크 미네랄 인텔리전스에 따르면 전 세계 흑연 음극 공급망의 4분의 3이 중국을 통과한다. 이로 인해 배터리 제조업체와 자동차 제조업체는 곤경에 처해 있다. 미국에서 전기차에 대한 세금 공제 혜택을 받으려면 인플레이션 감축법(IRA)에 따라 배터리 소재의 최소 비율을 미국산 또는 미국과 자유무역협정을 맺은 국가에서 조달해야 한다. 이 비율은 2028년에 90%까지 늘어날 예정이다. 실리콘은 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문에 동일한 용량의 배터리는 흑연에 비해 재료가 더 적게 들어간다. 코어쉘은 이를 감안해 미국이 수요를 충족하기에 충분한 금속 실리콘을 보유해야 한다고 추정했다. 또한 금속 실리콘은 흑연보다 가격이 저렴하기 때문에 중국산 흑연을 완전히 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극 코어쉘이 생산하는 첫 번째 제품은 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극이 될 예정이다. LFP 음극은 니켈-망간-코발트(NMC) 등 전기차에 사용되는 다른 화학 물질보다 저렴하고 안전하며, 중국 외 지역에서 쉽게 구할 수 있다. 이러한 이점에도 불구하고, 자동차 제조업체들은 NMC에 비해 에너지 밀도가 낮다는 점 때문에 LFP의 광범위한 적용을 망설여 왔다. 그러나 실리콘 음극과의 결합은 이러한 에너지 밀도의 차이를 해결할 것으로 보인다. 코어쉘은 실리콘 음극을 사용함으로써, 흑연 음극을 사용하는 기존의 NMC 배터리에 비해 LFP 배터리가 경쟁 우위를 가질 수 있다고 전망했다. 한편, 코어쉘은 기술을 확장하고 상용화해야 하는 과제가 있다. 이 과정은 쉽지 않으며, 초기 시장은 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 듄 버기 같은 e-모빌리티 분야가 될 것으로 보인다. 이와 관련해, 코어쉘은 1960년대 상징적인 듄 버기를 제작한 마이어스 맨스(Meyers Manx)와 파트너십을 체결했다. 현재는 자체적으로 재료를 생산하고 있으나, 기술을 라이선스하고 공급업체와 더 긴밀히 협력하는 방안에도 열려 있다. 이 회사는 2025년까지 파트너사에 첫 번째 샘플(A-샘플)을 제공할 계획이다. 또한 10년 내에 자사의 기술이 전기차에 탑재되기를 기대하고 있다. 경쟁 업체인 실라(Sila)와 그룹 14(Group14)도 2025년까지 상업 생산을 목표로 하고 있다. 실리콘 음극 재료는 현재 비용이 더 높지만, 대량 생산과 축적된 경험을 통해 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 자동차 제조업체들에게 이는 매력적인 옵션이 될 수 있다. 모든 배터리 혁신이 시장의 요구를 충족시키는 것은 아니지만, 리튬 이온 배터리 기술이 비용 효율적으로 계속 발전하려면, 다양한 접근 방식이 필요하다. 코어쉘의 기술이 성공적으로 입증된다면, 중국에 대한 의존도를 줄이면서도 비용 효율적인 배터리 개발로 나아가는 새로운 방향을 제시할 수 있다.
- 포커스온
2024-03-16
[신소재 신기술(14)] 자연에서 처음 발견된 광물 초전도체 '미아사이트'

미국 과학자들이 자연에서 광물 형태로 발견된 세계 최초의 '비전통적인' 초전도체 미아사이트(Miassite)가 발견됐다고 밝혔다. 영국 과학 웹사이트 사이키(phys.org)는 지난 13일(현지시간) 미국 에너지부 국립연구소인 에임스 국립연구소(Ames National Laboratory)의 과학자들이 실험실이 아닌 자연에서도 화학 성분을 가진 최초의 비전통적 초전도체 '미아사이트'를 발견했다고 보도했다. 미아사이트는 자연에서 발견되는 광물 중 하나로, 실험실에서 성장시키면 초전도체 역할을 한다. 연구팀은 미아사이트를 관측한 결과 고온 초전도체와 유사한 특성을 가진 비전통적 초전도체라는 사실을 밝혀냈다. 이 연구 결과는 '커뮤니케이션즈 머티리얼즈(Communications Meterials)' 저널에 게재됐다. 이번 연구는 미래의 지속 가능하고 경제적인 초전도체 기반 기술 개발에 기초 과학적 이해를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 초전도체란? 초전도는 물질이 전기를 에너지 손실 없이 전도할 수 있는 상태를 말한다. 이러한 초전도체는 의료용 MRI 기계, 전력 케이블, 양자 컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 기존의 초전도체는 잘 알려져 있지만 임계 온도가 낮다. 여기서 임계 온도는 물질이 초전도체 상태를 유지할 수 있는 최고 온도를 말한다. 1980년대에 과학자들은 기존 것들보다 임계 온도가 훨씬 높은 비전통적인 초전도체들을 발견했다. 에임스 연구소의 과학자 루슬란 프로조로프에 따르면, 이러한 비전통적인 초전도체는 모두 실험실에서 만들어진다. 이로 인해, 비전통적 초전도는 자연에서 발생하지 않는다는 일반적인 인식이 형성됐다. 자연에서 발견된 희귀한 광물 프로조로프는 대다수의 초전도 원소와 화합물이 금속 성질을 가지고 산소와 같은 다른 원소와 반응하는 경향이 있어, 자연에서 초전도체를 찾는 것이 어렵다고 설명했다. 그는 특히 미아사이트(Rh17S15)가 복잡한 화학 구조를 가지고 있다는 점에서 흥미롭다고 말했다. 프로조로프는 미아사이트를 처음에는 자연에서 발견될 수 없는, 인공적으로 만들어졌을 것으로 추정했으나, "실제로 자연에서 존재한다는 것이 밝혀졌다"고 말했다. 아이오와 주립대학교의 물리학 및 천문학 석좌교수이자 에임스 연구소의 과학자인 폴 캔필드는 새로운 결정체 물질의 설계와 발견, 성장 방법, 그리고 그 특성을 분석하는 데 깊은 전문 지식을 가지고 있다. 그는 이 프로젝트를 위해 고품질의 미아사이트 결정을 합성하는 작업을 수행했다. 캔필드는 "미아사이트가 러시아 첼랴빈스크주 미아스 강 근처에서 발견된, 일반적으로 잘 형성된 결정으로 자라지 않는 희귀한 광물"이라고 설명했다. 미아사이트 결정의 성장은 매우 높은 용융점을 가진 원소(Rh)와 휘발성이 높은 원소(S)의 결합으로 이루어진 화합물을 탐색하는 더 광범위한 연구 노력의 일부였다. 캔필드 박사는 "순수 원소들의 특성과는 달리, 우리는 이들 원소의 혼합을 통해 최소한의 증기압으로 결정이 저온에서 성장할 수 있도록 하는 기술을 개발했다"고 말했다. 캔필드 박사는 이번 미아사이트의 발견을 "숨겨진 낚시터에서 큰 물고기를 발견한 것과 같다"고 비유했다. 그는 "Rh-S 시스템에서, 우리는 세 가지 새로운 초전도체를 발견했다. 루슬란의 세밀한 측정 덕분에, 미아사이트가 비전통적 초전도체임을 확인할 수 있었다"고 설명했다. '자기장 침투 깊이' 실험 프로조로프의 연구 그룹은 저온에서 초전도체를 연구하기 위한 첨단 기술을 전문으로 한다. 그는 이 물질이 초전도 상태를 유지하기 위해 영하 50밀리켈빈(약 -460°F)까지 냉각되어야 한다고 말했다. 프로조로프 연구팀은 미아사이트의 초전도 특성을 분석하기 위해 세 가지 주요 실험을 실시했다. 가장 중요한 실험은 '자기장 침투 깊이(혹은 런던 침투 깊이, London penetration depth)'다. 이 실험은 약한 자기장이 초전도체 표면을 얼마나 깊게 관통하는지 측정해 초전도체 내부로의 자기장 침투 거리를 결정한다. 전통적인 초전도체의 경우, 자기장 침투 깊이는 저온에서 대체로 일정하게 유지된다. 반면, 비전통적 초전도체에서는 이 침투 깊이가 온도 변화에 따라 선형적으로 변화하는 경향을 보인다. 이러한 실험 결과는 미아사이트가 비전통적 초전도체의 성질을 갖는다는 것을 확인했다. 또 다른 실험은 재료 내에 결함을 주기 위해 고에너지 전자를 사용해 물질에 충격을 주는 방식이다. 프로조로프는 이 방법을 지난 10년 간 그의 연구팀이 주로 사용해온 대표적인 기술이라고 설명했다. 이 실험을 통해 재료의 초전도 특성에 미치는 결함의 영향을 관찰할 수 있다. 이 방법은 이온을 그들의 원래 위치에서 밀어내어 결정 구조 내에 결함을 생성하는 것이다. 이러한 결함은 재료의 임계 온도에 변화를 일으킬 수 있는 장애를 만든다. 전통적인 초전도체는 비자기적 장애에 대해 대체로 둔감하기 때문에, 이러한 테스트에서 임계 온도의 변화가 거의 또는 전혀 보이지 않는다. 반면, 비전통적 초전도체는 무질서에 더 민감해, 결함이 일어나면 임계 온도가 변화하거나 억제될 수 있다. 이러한 변화는 재료의 임계 자기장에도 영향을 미친다. 연구팀은 미아사이트에서 임계 온도와 임계 자기장이 비전통적 초전도체에서 예측한 대로 변화한다는 것을 확인했다. 비전통적 초전도체에 대한 이러한 연구는 초전도 현상의 작동 원리에 대한 과학자들의 이해를 심화시킬 수 있다. 프로조로프는 "비전통적 초전도의 메커니즘을 이해하는 것은 초전도 현상을 경제적으로 응용하는 데 있어 핵심적인 역할을 한다"고 강조했다. 이는 초전도 기술의 상용화 가능성을 높이는 데 중요한 기여를 할 수 있다.
- 포커스온
2024-03-15

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