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2024-11-22 (금)

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[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.
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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.
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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.
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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.
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2024-04-16
[신소재 신기술(31)] 나트륨 전고체 배터리 혁신으로 전기자동차 주행거리 2배 향상 가능

일본 과학자들이 현재 전기자동차(EV)의 주행 거리를 두 배 이상 늘릴 수 있는 차세대 충전 배터리로의 전환을 가속화할 수 있는 새로운 프로세스를 발견했다. 인디펜던스는 오사카 메트로폴리탄 대학 연구팀이 수행한 이 연구는 스마트폰부터 전기 자동차까지 모든 것에 사용되는 기존 리튬 이온 배터리에서 더 저렴하고 안전한 고체 나트륨 배터리로의 전환을 촉진하는 데 도움이 될 수 있다고 지난 12일(현지시간) 보도했다. 연구원들은 현재 사용되고 있는 리튬 이온 배터리보다 여러 가지 장점이 있는 고체 상태 나트륨 배터리에 주목했다. 고체 상태 나트륨 배터리 개발의 핵심적인 과제는 양산 제조였다. 이번에 개발된 새로운 공정은 배터리 성능에 중요한 역할을 하는 고체 전해질의 대량 합성에 초점을 맞추고 있다. 전고체 나트륨 배터리는 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 풍부한 재료로 만들어졌지만 지금까지 대량 생산이 어려웠다. 일본 오사카 메트로폴리탄 대학 연구팀은 전도성이 높은 전해질의 대량 합성을 통해 이러한 장애물을 극복할 수 있다고 주장했다. 연구팀은 학교 공식 홈페이지를 통해 "대량 합성으로 이어질 수 있는 공정을 통해 세계에서 가장 높은 나트륨 이온 전도성을 지닌 고체 황화물 전해질과 높은 성형성을 지닌 유리 전해질을 생산한다"고 밝혔다. 이번 연구를 주도한 오사카 메트로폴리탄 대학의 아츠시 사쿠다 교수는 "새로 개발된 공정은 고체 전해질과 전극 활성 물질을 포함한 거의 모든 나트륨 함유 황화물 물질 생산에 유용하다"고 말했다. 사쿠다 교수는 "이 공정은 또한 기존 방식에 비해 더 높은 성능을 발휘하는 소재를 쉽게 얻을 수 있어 향후 전고체 나트륨 배터리용 소재 개발의 주류 공정이 될 것으로 기대한다"고 말했다. 고체 황화물 전해질은 상업적 사용에 필요한 것보다 약 10배 높은 세계 최고 수준의 나트륨 이온 전도성을 제공한다. 리튬 이온 배터리에 사용되는 액체 전해질과 달리, 고체 전해질은 배터리를 떨어뜨리거나 잘못된 방식으로 충전할 때도 화재의 위험이 없다. 이러한 획기적인 기술은 전기차 산업에서 뛰어난 성능, 비용 절감, 지속 가능성 개선을 통해 가장 유망한 기술로 입증될 잠재력을 가지고 있다. 또한 이 기술은 전기차 배터리의 충전 용량을 대폭 개선해 주행거리 불안감을 해소할 수 있다. 일본 자동차 제조업체인 도요타는 전고체 배터리를 사용하면 현재 시판 중인 전기 자동차의 2배가 넘는 거리인 1200km의 주행거리를 제공할 수 있다고 주장했다. 이 새로운 배터리의 충전 시간은 10분 정도로 짧을 수 있다. 이번 연구는 '전고체 나트륨 배터리용 황화물 고체 전해질 합성을 위한 반응성 폴리설파이드 플럭스 Na2Sx 활용'이라는 제목의 논문으로 과학 저널 '에너지 저장 재료(Energy Storage Materials)'와 '무기 화학(Inorganic Chemistry)'에 게재됐다. 전문가들은 "그러나 전고체 상태 나트륨 배터리가 상용화되기 전에 추가적인 연구 개발이 필요하다"고 지적했다. 한편, PR뉴스와이어는 15일(현지시간) 보고서 "배터리 종류(나트륨-황, 나트륨-염), 기술 유형(수용액 및 비수용액), 최종 사용 분야(에너지 저장, 자동차, 산업), 지역(아시아 태평양, 유럽, 북아메리카)별 나트륨 이온 전지 시장 - 2028년까지 전망"을 인용해 전 세계 나트륨 이온 전지 시장은 2023년 5억 달러에서 2028년 12억 달러까지 연평균 성장률(CAGR)이 21.5%에 달할 것으로 예상된다고 전했다. 이 매체는 리튬 이온 배터리 대비 경제성으로 인해 나트륨 이온 배터리 시장 성장이 확대될 것으로 예상된다고 덧붙였다. 이는 풍력 및 태양열과 같은 재생 에너지의 변동성을 해결하기 위한 대규모 에너지 저장 장치에 적합하다는 것. 또한 나트륨 이온 배터리는 일반적인 원소인 나트륨을 사용하기 때문에 지속 가능성이 높은 옵션으로 자리 잡고 있으며, 전 세계적인 환경 영향 저감 노력과 맞물려 시장이 성장할 것으로 전망했다. 그러면서 이 시장의 주요 업체로는 중국의 리튬 배터리 제조기업인 닝보 산산(Ningbo Shanshan Co.)과 장시 정투 신에너지 기술(Jiangxi Zhengtuo New Energy Technology), 일본의 레소낙 홀딩스(Resonac Holdings Co.)와 미쓰비시 화학, 한국의 포스코 퓨처엠(POSCO FUTURE M), 독일의 SGL 카본 등이 있다고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-04-15
[신소재 신기술(30)] 190% 양자 효율 달성! 태양 전지 혁신 이끌 새로운 양자 물질 개발

미국 펜실베이니아주 리하이 대학교의 연구진은 태양전지 패널의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지닌 소재를 개발했다. 해당 물질을 태양 전지의 활성층으로 사용한 프로토타입은 평균 80%의 광전 흡수율, 높은 광여기 전하체 생성 속도, 최대 190%에 달하는 외부 양자 효율 (EQE)을 나타냈다고 과학 기술 전문 매체 테크익스플로어가 11일(현지시간) 전했다. 이는 실리콘 기반 물질의 이론적 쇼클리 퀴서(Shockley-Queisser) 효율 한계를 훨씬 뛰어넘는 수치이며, 태양전지용 양자 물질 분야를 새로운 차원으로 끌어올린 것이다. 쇼클리 퀴서 한계는 태양전지의 최대 효율을 결정하는 이론적 모델이다. 이 이론은 19661년에 물리학자 윌리엄 쇼클리에 의해 개발됐다. 이 한계는 단일 띠 구조를 가진 반도체 재료를 사용하는 태양전지의 최대 전력 변환효율을 설명하고 있다. 쇼클리 퀴서 한계는 이상적인 조건하에서 단일 접합 실리콘 태양전지의 최대 효율을 33%로 예측한다. 연구 논문을 저술한 치네두 에쿠마(Chinedu Ekuma) 리하이 대학교 물리학 교수는 "이 연구는 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 이해와 개발에서 중요한 도약을 의미하며, 가까운 미래에 태양 에너지 효율과 접근성을 재정의할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 강조한다"라고 말했다. 에쿠마 교수와 리하이 박사과정 학생 스리하리 카스투아르가 함께 작성한 이번 연구 논문은 '사이언스 어드밴스' 저널에 발표됐다. 이 소재의 효율성은 주로 소재의 전자 구조 내에 태양 에너지 변환에 이상적인 방식으로 배치된 특정 에너지 레벨인 '중간 대역 상태'에 기인한다. 이러한 상태는 최적의 서브밴드 갭(물질이 태양광을 효율적으로 흡수하고 전하 캐리어를 생성할 수 있는 에너지 범위) 내에서 약 0.78 및 1.26전자볼트의 에너지 레벨을 갖는다. 또한 이 물질은 전자기 스펙트럼의 적외선 및 가시광선 영역에서 높은 흡수율을 보여 특히 우수한 성능을 발휘한다. 기존 태양 전지에서 최대 EQE는 100%이며, 이는 흡수된 태양광 한 개당 전자 하나를 생성 및 수집하는 것을 의미한다. 하지만 최근 몇 년 동안 개발된 일부 첨단 물질과 구성은 고에너지 광자로부터 둘 이상의 전자를 생성 및 수집할 수 있는 능력을 보여주었으며, 이는 100%를 초과하는 EQE를 나타낸다. 이러한 다중 엑시톤 생성(MEG) 물질은 아직 상용화되지 않았지만 태양 에너지 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리하이대학교에서 개발한 물질의 경우, 중간대 상태는 반사 및 열 생성을 포함하여 기존 태양 전지에서 손실되는 광자 에너지를 포집할 수 있다. 연구팀은 층을 이룬 2차원 물질 사이의 원자적으로 작은 틈인 '반 데르 발스 갭(van der Waals gap)'을 활용하여 새로운 물질을 개발했다. 반 데르 발스 갭은 분자나 이온을 가둘 수 있다. 재료 과학자들은 일반적으로 다른 원소를 삽입하거나 '인터칼레이트(intercalate)'하여 재료 특성을 조정하는 데 이 틈새를 사용한다. 리하이대학교 연구팀은 새로운 물질을 개발하기 위해 게르마늄 셀레나이드(GeSe)와 주석 황화물(SnS)로 구성된 2차원 물질 층 사이에 0가 구리 원자를 삽입했다. 컴퓨터 응집 물질 물리학 전문가인 에쿠마 교수는 이 시스템의 광범위한 컴퓨터 모델링을 통해 이론적 가능성을 입증한 후 개념 증명으로 프로토타입을 개발했다. 그는 "빠른 반응과 향상된 효율은 첨단 태양광 응용 분야에 사용할 수 있는 양자 물질로서 Cu-인터칼레이티드 GeSe/SnS의 잠재력을 강력하게 보여주며, 태양 에너지 변환의 효율을 개선할 수 있는 길을 제시한다"라면서 "이는 전 세계 에너지 수요를 해결하는 데 중요한 역할을 할 차세대 고효율 태양전지 개발의 유망한 후보 물질이다"라고 말했다. 새로 설계된 양자 물질을 현재의 태양 에너지 시스템에 통합하려면 더 많은 연구와 개발이 필요하지만, 과학자들은 오랜 시간 동안 원자, 이온, 분자를 물질에 정밀하게 삽입하는 방법을 터득해 왔다. 이에 에쿠마 교수는 이러한 물질을 만드는 데 사용되는 실험 기술은 이미 고도로 발전했다고 지적했다.
- 포커스온
2024-04-12
[신소재 신기술(29)] 물 엔진, 역사적 첫 작동! 수소 엔진 능가하는 성능 기록

역사상 최초로 움직이는 물 엔진(Water engine·수력 엔진)이 오스트리아에서 개발됐다. 오스트리아의 레이싱 기업 AVL 레이스텍(AVL Racetech)은 물을 주입하는 분사 시스템을 통해 강력한 수소 연소 엔진을 개발했다고 에코뉴스가 전했다. 최근 수소는 경제의 탈탄소화 과정에서 주목받는 대안 에너지원으로 부상하고 있다. 수소 생산에 대한 투자는 전 세계적으로 증가하고 있으며, 스페인의 경우 2022년 1분기에 세계 신규 수소 프로젝트의 20%를 차지했다. 하지만 기존 수소 연소 엔진은 출력 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 AVL 레이스텍은 헝가리의 훔브다(HUMDA) 연구소와 협력해 혁신적인 수소 연소 엔진을 개발했다. 이 엔진은 물 분사 시스템을 통해 기존 수소 연소 엔진의 문제점을 개선했다. 이 수소 연소 엔진은 더 나아가 레이싱카에 사용될 가능성도 있다. 물 분사 시스템 통한 성능 향상 AVL 레이스텍은 기존의 물 주입 방식인 PFI(포트 액체 분사)를 사용해 엔진의 공기 흡입 시스템에 물을 주입했다. 이를 통해 부품 손상을 유발할 수 있는 조기 점화를 방지하고 안정적인 연소를 촉진한다. 회사 측은 이는 '린번 엔진(lean-burn engine)'의 잠재적인 단점을 보완할 수 있다고 설명했다. 린번 엔진은 공연비(공기와 연료의 비율)가 일반적인 엔진보다 훨씬 높다. 이는 엔진이 연료 대비 더 많은 양의 공기를 사용해 연소시키는 것을 의미하며, 결과적으로 연료 효율이 개선되고 배출가스 중 일부 오염 물질의 양이 줄어든다. 린번 방식은 특히 질소산화물(NOx) 같은 오염물질의 배출을 줄이는 데 효과적일 수 있으며, 이는 환경에 미치는 부정적 영향을 감소시키는 데 도움이 된다. 하지만 이 기술은 연소 과정에서 고온이 발생할 수 있어, 질소산화물의 생성을 억제하기 위한 추가적인 기술이나 장치가 필요할 수 있다. 린번 엔진은 주로 가솔린 엔진에 적용되지만, 디젤 엔진에서도 유사한 원리의 연소 방식이 사용된다. 수소 연소 엔진의 미래 물 주입 방식인 PFI분사와 같은 개선을 통해 분당 3000~4000회 회전에서 410hp(마력)과 500Nm(뉴터 미터)의 토크를 내는 2리터 수소 엔진이 탄생했다. 이 엔진 리터당 약 205마력(리터당 150kW)의 특정 출력 밀도를 달성했다. 실제 테스트 결과 이 엔진은 하이 레벨 모터 레이싱 대회에서도 경쟁력을 갖출 것으로 예상된다. 모터스포츠 AVL 디렉터이자 전 프로 레이싱 드라이버인 엘렌 로어(Ellen Lohr)는 "H2 레이싱 엔진으로 얻은 결과는 이 기술로 매우 경쟁력 있는 패키지를 제공할 수 있다는 것을 확인시켜 주었다"고 설명했다. AVL 레이스텍은 이번 개발을 통해 모터스포츠의 지속 가능성 확보에도 기여하고자 한다. 이 수소 연소 엔진은 레이싱뿐만 아니라 일반 자동차의 탈탄소화 전환에도 활용될 수 있으며, 수소 에너지의 자동차 산업 활용 가능성을 한층 더 높였다. 이처럼 수소의 잠재력은 지금까지 우리가 가지고 있었던 자동차의 수소 개념을 바꾸고 있다.
- 포커스온
2024-04-09
[신소재 신기술(28)] 바이러스 잡는 나노 스파이크 실리콘, 96% 제거 효율!

표면에 접촉하는 바이러스를 96%까지 제거할 수 있는 나노 코팅된 실리콘 신소재가 개발됐다. 호주 로열 멜버른 공과대학교(RMIT) 연구팀은 바이러스 제거가 탁월한 나노 스파이크로 코팅된 새로운 실리콘 소재를 개발했으며, 이 소재는 표면에 닿은 바이러스 입자의 최대 96%를 제거하는 성능을 보였다고 과학 전문 매체 사이언스얼럿이 최근 보도했다. 이 나노 스파이크 실리콘 소재는 병원, 연구실, 멸균 환경이 필수적인 모든 장소에서 활용 가능성이 높다. 연구팀에 따르면 나노 스파이크는 바이러스 입자와 접촉 시 물리적으로 파괴하거나 바이러스의 복제 기능을 저해한다. 연구 결과 6시간 만에 표면상의 거의 모든 바이러스 활성이 저지됐다. 연구팀은 "96% 바이러스 제거율은 표면 접촉을 통해 전염되는 다양한 병원체로부터 사람을 보호하는데 충분하다"고 말했다. 연구를 주도한 RMIT 분자생물학자인 나탈리 보그 박사는 "이 바이러스 제거용 신소재 표면은 육안으로는 평평한 검은 거울처럼 보이지만 실제로는 바이러스를 죽이도록 특별히 설계된 미세한 스파이크로 구성되어 있다. 사람들이 만지는 장치와 표면에 이 소재를 적용하면 바이러스 확산을 방지하고 소독제 사용을 줄일 수 있다"고 설명했다. 자연에서 영감 받은 나노 스파이크 소재 이번 연구는 자연에서 영감을 받았다. 잠자리와 매미 등 곤충의 날개에는 박테리아와 곰팡이를 파괴하는 나노 스케일 스파이크가 있다. 하지만 바이러스는 훨씬 더 작기 때문에 나노 스파이크 실리콘 소재 또한 바이러스처럼 미세해야 한다. 연구팀은 이온 빔 기술을 사용해 실리콘 웨이퍼 일부를 제거해 높이 290nm((나노 미터), 끝 너비 2nm(인체 머리카락보다 3만 배 가늘음)의 스파이크 표면을 만들었다. 이후 연구팀은 기관지염, 폐렴, 크루프 등 질병을 유발하는 네 가지 유형의 인간 파라인플루엔자 바이러스(hPIV-3)를 사용해 이 소재의 항균 효능을 실제 및 이론적으로 검증했다. hPIV-3는 인간 파라인플루엔자 바이러스 중 가장 독성이 강하다. 연구팀은 발표된 논문에서 "특히 우리의 연구는 항바이러스 표면의 설계와 최적화에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 그 효과를 극대화 하는데 있어 날카로운 나노 피처의 중요한 역할에 중점을 둔다"고 설명했다. 현재 연구는 실험실 단계이지만 이 표면 소재를 확장 적용할 수 있다면 의료 환경에서 획기적인 변화를 가져올 수 있다. hPIV는 급성 호흡기 질환의 3분의 1을 차지하며 특히 어린이는 감염 위험이 높다. 병원은 면역력이 약한 환자가 밀집해 있는 특수 환경으로 인해 방치될 경우 바이러스가 빠르게 확산될 수 있다. 연구팀은 앞으로 다양한 소재 구성 및 다른 바이러스 유형을 대상으로 실험을 진행할 계획이다. RMIT 응용물리학자인 샘슨 마흐 박사는 "실험실이나 의료 시설과 같은 위험한 생물학적 물질에 노출 위험이 있는 고위험 환경에 이 최첨단 기술을 도입한다면 감염병 봉쇄 조치를 크게 강화할 수 있다"고 말했다. 이 연구 결과는 'ACS 나노' 저널에 게재됐다.
- 포커스온
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
[신소재 신기술(26)] 암석의 혁신, '지질학적 수소' 생산 가능

지속 가능한 에너지 환경에 획기적인 변화를 가져올 암석 기반 수소 생산 연구가 활발하게 진행되고 있다. 미국 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 연구팀은 철분이 풍부한 암석에서 이산화탄소 배출 없이 수소 가스를 생산하는 천연 촉매 개발에 힘쓰고 있다고 과학 전문매체 사이테크데일리가 전했다. 기존 방식에 비해 저탄소 대안을 제공하는 이 기술은 미래 에너지 시장의 주역으로 주목받고 있다. 이 프로젝트가 성공한다면 '지질학적 수소'라는 새로운 산업 분야를 창출하며 에너지 전환에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. UT 잭슨 지구과학대학 경제지질학국의 연구 부교수이자 이 프로젝트의 수석 연구원 토티 라슨 박사는 "우리는 암석에서 수소를 생산하고 있다"고 말했다. 라슨은 "철분이 풍부한 암석에서 수소를 비화석 연료로 생산하는 것은 산업적 규모로 시도된 적이 없는 일종의 비화석 연료 생산이다"라고 설명했다. 수소는 연료로 연소할 때 이산화탄소 가스를 배출하지 않기 때문에 에너지 전환에서 중요한 역할을 한다. 유일한 부산물은 물뿐이다. 그러나 오늘날 대부분의 수소는 천연가스에서 생산되며 이 과정에서 CO₂도 배출한다. 라슨은 철분이 풍부한 암석에서 지질학적 수소를 생산하면 탄소 배출량이 적기 때문에 에너지 전환에 큰 변화를 가져올 수 있다고 지적했다. 이 과정은 지질학적 현상인 '사문석화'를 촉진하는 원리다. 사문석화 과정에서 철분이 풍부한 암석은 화학 반응의 부산물로 수소를 생성한다. 사문석화는 일반적으로 고온에서 일어난다. 연구팀은 현재 기술로 쉽게 접근할 수 있는 낮은 온도와 심도에서 수소 생산을 촉진하기 위해 니켈과 백금족 원소 등을 포함하는 천연 촉매 물질을 활용하고 있다. 즉, 철이 풍부한 암석에서 천연 촉매를 사용해 수소를 생산하면 전 세계적으로 수소 생산량을 크게 늘릴 수 있는 잠재력이 있다. 기존의 대부분 수소 생산 방식은 천연가스를 이용하며 이산화탄소를 배출한다. 지질학적 수소 생산은 저탄소 배출 특징을 지니고 있어 에너지 전환에 획기적인 진전을 가져올 수 있다. 잭슨 스쿨의 연구 부교수이자 이 프로젝트의 공동 연구자인 에스티 우카르 박사는 "전 세계에서 지질학적 수소의 자연 축적이 발견되고 있다. 탐사가 계속되고 있지만 대부분의 경우 규모가 작고 경제성이 없다"며 "자연에서 수백만 년이 걸리는 반응을 유도해 이러한 암석에서 더 많은 양의 수소를 생산할 수 있다면 지질학적 수소는 정말 획기적인 기술이 될 수 있다고 생각한다"고 말했다.
- 포커스온
2024-04-02
[신소재 신기술(25)] 이스라엘 스타트업, 염분 토양서 자라는 작물 개발

이스라엘 농업기술 스타트업 살리크롭(SaliCrop)이 염분 토양에서 자라는 토마토와 벼 등 작물을 개발했다. · 염분이 가득한 토양은 전 세계적으로 20억 에이커 이상에 영향을 미쳐 작물 수확량을 감소시키고 있다. 20억 에이커는 한국 면적의 약 80.8배에 해당하는 크기로, 세계에서 두 번째로 큰 나라인 캐나다의 국토 면적과 유사하다. 비즈니스 인사이더는 지난 3월 30일 이스라엘의 한 연구소에서는 실험실에서 해수를 이용하여 토마토, 알팔파, 양파, 쌀 등 농작물을 재배하는 연구를 진행하고 있다고 보도했다. 이 농작물들은 GMO(유전자 변형 생물체)가 아니며, 식물 분자생물학자이자 살리크롭의 공동 설립자인 리샤 고드볼레(Ṛcā Godbole)의 아이디어로 개발됐다. 살리크롭은 지난 4년 동안 스페인 남부에서 혹독한 가뭄으로 인해 작물이 효율적으로 자라지 못하는 심각한 염화(토양의 염분 농도가 상승하는 현상)가 발생한 토양에서 토마토 씨앗 강화 기술을 테스트해왔다. 살리크롭의 최고경영자 카미트 오론은 자사의 씨앗을 사용한 스페인 토마토 농부들은 작물 수확량이 10%에서 17%로 증가했으며 헥타르당 1600달러(약 215만원)의 추가 수익을 올렸다고 말했다. 스페인은 심각한 염화 문제를 겪고 있는 전 세계 많은 지역 중 하나다. 수년간 지속된 관개, 지구 온난화, 해수면 상승으로 인해 전 세계 관개 농지의 20~50%가 너무 염분이 많아 효과적으로 작물을 재배하기 어렵다. 이로 인해 전 세계 경제는 매년 약 270억 달러(약 36조 2907억원)의 농작물 손실을 입고 있는 것으로 추산된다. 한편, 유엔은 2050년까지 세계 인구가 약 100억 명에 달할 것으로 예상하고 있다. 오론 CEO는 "어떻게 하면 황페화된 토지에서 더 많은 식량을 재배할 수 있을까? 이것이 살리크롭 설립의 주요 질문이자 동기였다"고 말했다. 고드볼레는 농업 기술자인 샤론 데비르(Sharon Devir)와 함께 기후 변화로 빠르게 변화하는 세토양 등으로 어려움에 직면한 전 세계의 농부들을 돕고 잠재적으로 수십억 명의 사람들의 기아를 방지하기 위한 목표로 살리 크롭을 설립했다. 염분 토양서 토마토 재배 성공 살리크롭의 과학자들은 염분이 더 높은 토양과 뜨거운 온도와 같은 변화하는 환경에서도 자랄 수 있는 회복력 있는 강한 작물을 개발하고 있다. 염분은 모든 토양에서 자연적으로 발생하지만, 너무 많은 염분은 식물이 물과 영양소를 흡수하는 것을 어렵게 만들어 성장이 둔화되고 작물 수확량이 감소하며 궁극적으로 세계 식량 생산을 위협할 수 있다. 전 세계적으로 15억 명 이상의 사람들이 작물을 효과적으로 재배하기에는 너무 오염된 토양에서 살고 있다. 지구 온난화로 인해 상황은 악화될 것으로 예상된다. 인도에서는 이미 44%의 토지가 염분이 많고, 연구원들은 2050년까지 인도의 50%가 염화의 영향을 받을 것으로 추정하고 있다. 전 세계적으로 더 높은 평균 기온은 토양의 증발을 가속화해 특히 건조한 지역에서 토양 내의 염분을 농축시킨다. 예를 들면 일본 도쿄의 경우 3월 31일 기온이 28.1℃까지 올라가 3월 중 가장 높은 기온을 기록했다. 일본기상청에 따르면 이날 한때 도쿄 도심은 28.1도까지 올라가 3월 기온으로는 1876년 시작된 관측 통계 이후 최고치였다. 정전 3월 중 최고 기온은 2013년 3월 10일의 25.3도였다. 또한 해수면 상승으로 인한 홍수는 또한 해안 농지에 특히 위협을 초래한다. 왜냐하면 토양과 지하수에 더 많은 염분을 퇴적시키기 때문이다. 부적절한 관개 관행, 예를 들어 불충분한 물 사용, 염분이 많은 물 사용 및 적절한 배수 유지하지 않기 때문에 염분이 많은 토양이 발생할 수도 있다. 살리크롭은 스페인을 비롯해 이탈리아, 그리스, 모로코, 세네갈, 인도, 케냐, 미국 등 다양한 국가에서 옥수수, 콩, 밀, 쌀, 토마토 등 다양한 작물에 대한 기술을 테스트했다. 회사는 이 기술이 작물 손실을 최대 50% 줄일 수 있다고 주장했다. 이 회사는 2025년까지 100만에이커(4046km²)의 농지에서 자사의 기술을 사용할 계획이다. 일부 비평가들은 살리크롭의 기술이 아직 초기 단계로 장기적인 효과와 안정성이 검증되지 않았다고 지적했다. 또한 GMO기술에 대한 우려도 재기했다. 한편, 스타벅스는 지난해 10월 기후변화의 영향을 견딜 수 있는 여섯 가지 새로운 커피 씨앗을 개발했다고 밝혔다. 커피도 바나나나 다른 많은 농작물처럼, 질병을 비롯해 가뭄 등 극심한 기후 위기로 위협받고 있다. 스타벅스가 개발한 아라비카 씨앗은 잎 녹병에 저항력을 갖는 것으로 시험 결과 더 짧은 기간에 더 많은 수확량을 얻는 것으로 나타났다.
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2024-04-01
[신소재 신기술(24)] 제트제로(JetZero), 획기적인 혼합 날개 시연기 시험 비행 승인 획득

미국 캘리포니아에 본사를 둔 제트제로(JetZero)의 비행기 몸체와 날개가 혼합된 디자인의 혼합 날개 시연기가 미국 연방항공국(FAA)의 테스트 비행 시작 승인을 받았다. 여객기의 기본 모양은 수십 년 동안 크게 변하지 않았지만, 급진적인 새로운 모양들이 선보이고 있다. 뉴아틀라스는 27일(현지시간) 제트제로의 혼합날개(블렌디드 윙·blended wing) 시연기가 FAA 승인을 받아 시험 비행을 시작했다고 발표했다고 전했다. 혼합 날개 비행기는 동체와 날개가 함께 혼합되어 일반 여객기와 하늘을 나는 날개 사이의 교차점이 날렵한 모양으로 만들어진 것을 말한다. 제트제로는 기본적으로 양력 표면인 공기역학적인 디자인인 자사의 혼합 날개가 일반 제트기보다 연비가 크게 향상돼 50% 적게 사용한다고 주장했다. 연비 절감은 운영 비용 절감으로 이어져 장거리 대륙횡단 노선도 개설될 수 있다. 이 개념이 배터리 전기, 수소 또는 암모니아 연료와 같은 청정 항공 파워트레인과 결합된다면, 훨씬 더 큰 이점이 있을 수 있다. 게다가 혼합 날개 디자인은 화물과 승객을 위한 훨씬 더 많은 공간을 제공한다. 에비에이션위크에 따르면 제트제로는 자사의 항공기 구조가 승객 1인당 기존 항공기 보다 가볍다고 설명했다. 제트제로의 혼합날개 비행기는 최대 250명을 태울수 있도록 설계됐다. 지난해 제트제로는 2030년까지 자사의 블렌디드 윙 여객기를 취항시키기 위해 미 공군, 미 항공우주국(나사·NASA), FAA와 협력하고 있다고 발표했다. 또한 작년 8월에는 2027년까지 시제품을 제작하기 위해 미 공군과 계약했다. 한편, 세계 최대 항공기 제조업체들은 넷제로를 실현하기 위해 혁신적인 차세대 비즈니스 및 여객기를 개발하고 있다. 유럽의 에어버스는 기류 저항을 극복하기 위해 모양이 변형되는 날개 디자인 등 급진적인 형태의 날개인 엑스트라 퍼포먼스 윙(Extra Performance Wing) 개발을 진행하고 있다. 미국의 보잉은 NASA와 협력해 기존의 날개보다 훨씬 길고 날씬한 날개를 받치는 트러스 구조를 사용하는 실험 항공기 X-66A 개발에 참여하고 있다. 이는 항공기의 연료 효율을 획기적으로 향상시켜 2050년까지 탄소 중립을 달성하겠다는 항공 업계의 지속 가능성 목표를 실현하기 위함이다.
- 포커스온
2024-03-30
[신소재 신기술(23)] 조약돌 활용해 초효율 에너지 저장 시스템 설계

스웨덴 과학자들이 조약돌을 활용해 에너지 저장 효율을 향상시킨 새로운 시스템을 설계했다. 과학 전문매체 더쿨다운은 27일(현지시간) 스웨덴의 KTH 왕립 공과대학교의 연구원들은 기존의 열에너지 저장 기술에 조약돌을 추가해 개선된 시스템을 개발했다고 보도했다. 현재 최첨단 태양열 에너지 시스템에서는 장기간 에너지를 저장하기 위해 용융염을 사용한다. 용융염은 녹는점이 800.7°C 이상일 때 액체 상태가 되는 녹은 소금으로, 일반적인 조건에서는 이온성 고체다. 그러나 용융염은 사용에 있어 작동 온도의 한계와 부식성, 비료로의 사용 가능성으로 인한 추가 비용 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 반면, 조약돌은 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료다. KTH 연구팀은 조약돌을 사용한 시스템이 솔라스페이스(SolarPACE)에서 90% 이상의 높은 열효율을 달성하면서도 최대 800℃(화씨 1472도)까지의 열을 저장할 수 있음을 발견했다. 이는 용융염 시스템의 한계 온도인 600℃(화씨 111도)를 훨씬 초과하는 수치다. 이러한 혁신적인 발전은 태양 전지로부터 얻은 깨끗하고 재생 가능한 에너지를 저장하는 과정을 더욱 간단하고, 경제적이며, 효율적으로 만들 수 있음을 의미한다. 화석 연료와 같은 전통적인 에너지원에서 태양이나 바람과 같은 깨끗하고 재생 가능한 에너지원으로의 전환이 진행되면서, 미래에 사용할 에너지를 효과적으로 저장하는 방법이 중대한 도전 과제 중 하나로 부상했다. 가스는 간편하게 저장하고 사용할 수 있는 것과 달리, 태양 에너지는 그렇게 단순하게 다룰 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 열에너지를 저장하는 데 액체 주석, 수소, 황과 같은 다양한 재료를 사용한 여러 시스템을 개발했다. 한편, 조약돌을 활용한 에너지 저장 시스템을 연구하는 과학자들은 이 시스템을 효율적으로 작동시키는 데 필요한 추가적인 전력 소비와 같은 도전 과제에 직면해 있다. KTH 왕립 공과대학교 에너지부의 열과 전력 부문 책임자인 라파엘 게데즈 박사는 "공기와 암석을 이용한 축방향 포장재는 본질적으로 비용이 저렴하다고 할 수 있지만, 공기를 효율적으로 순환시키고 특히 전기가 비싼 시간에 대량의 전력을 소비할 수 있다는 점이 채택에 있어 주요한 장애물 중 하나"라고 말했다. 그럼에도 게데즈 박사와 그의 연구팀은 이 시스템을 상업적으로 실행 가능한 옵션으로 만들 수 있다고 낙관하고 있다. 게데즈 박사는 "우리의 연구는 실제로 적용되고 있으며, 최종 사용자와 기술 개발자 모두 산업 이해 관계자들과 긴밀히 협력하고 있다. 궁극적으로 넷제로를 지원하고 연구와 교육 프로그램을 통해 사회에 가시적인 영향을 창출하려는 동기에 의해 주도되고 있다"고 전했다.
- 포커스온
2024-03-29
[신소재 신기술(22)] 유럽 최장 하이퍼루프 센터 개장

유럽에서 가장 긴 하이퍼루프 터널이 네덜란드에서 개통됐다. '하이퍼루프(Hyperloop)'는 진공 튜브 안에서 고속 이동하는 차량을 이용한 미래형 교통 시스템이다. 마치 SF 영화에서 나온 것처럼 빠르고 효율적인 이동을 가능하게 하는 것으로 기대된다. 26일(현지시간) 테크 익스플로어에 따르면 네덜란드에서 개장한 유럽 하이퍼루프 센터(European Hyperloop Center)는 하이퍼루프 기술 시험을 위한 터널로 길이 420m(미터)에 달한다. 하이퍼루프 차량은 이론적으로 저압 상태의 진공 튜브 안에서 이동한다. 이를 통해 공기 저항을 최소화해 매우 빠른 속도를 낼 수 있다. 또한 자기부상 기술을 사용해 마찰 없이 튜브 안을 이동하며, 차량 추진 방식은 전자기력, 팬, 압축 공기 등 다양한 방법이 있다. 네덜란드 북부 빈담(Veendam) 근처의 지금은 사용되지 않는 철도 센터에는 폭 약 2.5m의 상호 연결된 34개의 파이프로 구성된 길이 420m(1380피트)의 매끈한 Y자형 하이퍼루프 용 흰색 터널이 있다. 이 센터는 세계 최초로 고속 주행로 변경 시험을 위한 분기선로를 갖추고 있다. 유럽 하이퍼 루프 센터는 공기 저항을 줄이기 위해 터널 내 공기를 거의 모두 배출하고 자석을 사용해 최대 시속 1000km에 도달할 수 있는 속도로 캡슐을 추진한다. 네덜란드에 본사를 둔 하르트 하이퍼루프(Hardt Hyperloop)는 앞으로 몇 주 안에 초기 차량 테스트를 실시할 계획이다. 최초의 유인 운행은 2030년까지 가능할 것으로 예상된다. 하이퍼루프는 처음에는 공항과 도시 연결 등 5km 정도의 짧은 노선에서 운영될 계획이다. 센터 디렉터인 사샤 라메(Sascha Lamme)는 2050년까지 유럽 전역을 연결하는 1만km의 하이퍼루프 터널 네트워크가 세워질 것으로 예측했다. 그는 하이퍼루프 운항에 대해 "비행기와 비슷하지만 번거로움이 전혀 없다"면서 "우리는 확장성이 매우 뛰어난 것을 만들었다. 매우 빠르게 이동할 수 있다. 암스테르담 역에 탑승해 2시간 안에 바르셀로나와 같은 도시로 이동하는 것이 실제로 가능할 것"이라고 말했다. 하지만 과학자들은 하이퍼루프 기술 완성까지는 시간이 오래 걸리고 실제 승객 실험까지는 더 많은 시간이 필요하다고 전망했다. 지지자들에 따르면 하이퍼루프 기술은 환경 오염이나 소음을 발생시키지 않으며 지상 또는 지하에 쉽게 설치할 수 있어 기존 교통망보다 낮은 인프라 설치 면적을 요구한다. 그러나 일부 전문가들은 실용성에 의문을 제기하며, 고속 캡슐 이동 시 승객이 느끼는 승차감에 대해 우려했다. 비평가들은 좁은 터널을 통해 음속에 가까운 속도로 발사되는 하이퍼루프의 승객 이동의 경험에 대해 의문을 제기했다. 반면, 개발자들은 가속도는 고속열차와 크게 다르지 않을 것이며, 쾌적한 승차감을 제공할 것이라고 말했다. 또한 하이퍼루프가 오염이나 소음을 발생시키지 않으며 도시와 시골 환경 모두에서 배경과 조화를 이룬다고 주장한다. 하르트 하이퍼루프의 기술 및 엔지니어링 이사인 마리누스 반 데르 메이(Marinus Van der Meijs)는 "교통 수단으로서 하이퍼루프의 에너지 소비는 다른 것보다 훨씬 낮다"고 말했다. 한편, 기술 억만장자인 일론 머스크 스페이스X와 테슬라의 최고경영자(CEO)는 2013년 샌프란시스코와 로스앤젤레스를 연결하는 '다섯번째 교통수단(fifth mode of transport)'을 제안하는 논문을 통해 하이퍼루프를 대중에게 알렸다. 머스크는 하이퍼루프 튜브를 이용하면 LA와 샌프란시스코를 단 30분 만에 연결할 수 있다고 말했다. 이는 자동차를 타고 도로를 주행하면 최장 6시간, 비행기로 최대 1시간 걸리는 것에 비해 엄청난 시간 절약이다. 이후 세계 각국에서는 하이퍼루프 아이디어에 착안해 치열한 연구 경쟁을 펼치고 있다. 영국 사업가 리처드 브랜슨(Richard Branson)은 2020년 네바다 사막에 두 명의 승객을 500미터 떨어진 곳으로 보냈다. 그러나 이후 하이퍼루프 원(Hyperloop One)으로 바뀐 그의 버진 하이퍼루프(Virgin Hyperloop) 회사는 지난해 말 문을 닫았다. 중국은 시속 700km에 달하는 속도에 도달할 수 있는 더 긴 터널 시설을 보유하고 있는 것으로 알려졌다. 하이퍼루프는 시속 1200km 이상의 속도를 낼 수 있으며 서울에서 부산까지 16분 만에 갈 수 있는 것으로 추정된다. 전 세계 여러 도시에서 미래형 교통 시스템 연구 프로젝트에 수백만 달러를 투자했지만 미래 교통 시장을 바꿀 잠재력이 있는 하이퍼루프 사업은 아직 본격적으로 시작되지 않았다.
- 포커스온
2024-03-28
[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(20)] 건물이 대기 중 이산화탄소 흡수한다

미국에서 공기 중 이산화탄소(CO₂)를 흡수, 저장하는 건축 자재가 개발됐다. 에코뉴스는 지난 23일(현지시간) 미국의 기술 거물 빌 게이츠가 투자한 스타트업 그래파이트(Graphyte)가 대기 중 이산화탄소를 포집해서 지하에 저장하는 혁신적인 기술을 개발했다고 보도했다. 이 기술은 건설 활동으로 인한 미세먼지 발생, 수질 오염, 소음 문제 등 심각한 환경 오염 문제에 대한 해결책으로, 탄소 배출 감소를 위한 중요한 해결 방안으로 평가된다. 그래파이트는 빌 게이츠가 공동 설립한 브레이크스루 에너지 벤처스(Breakthrough Energy Ventures)가 투자한 스타트업으로 2020년 설립됐다. 이 회사는 2023년 5월 약 1억5000만달러(약 2000억원)의 투자금을 유치했다. 주요 투자자로는 빌 게이츠와 브레이크스루 에너지 벤처스 외에 테마섹(Temasek) 등이 있다. 건설업계는 탄소 중립을 목표로 노력하고 있지만 지속 가능성 달성을 위한 실천 속도는 여전히 느린 편이다. 높은 비용과 업계의 보수적 태도, 환경 규제 부족 등이 지속 가능한 건설의 활성화를 저해하는 주요 요인으로 꼽히고 있다. 그래파이트의 사업 분야는 탄소 제거와 친환경 건축 자재 생산이다. 나무 찌꺼기나 쌀겨(쌀 껍질)와 같은 폐 바이오매스를 활용하는 그래파이트의 '탄소 주조(카본 캐스팅·Carbon Casting)' 공정은 이산화탄소를 흡수해 대기로 다시 배출되지 않도록 하는 탄소 농축 블록을 생산한다. 그래피아트는 "카본 캐스팅은 바이오매스에 포집된 거의 모든 탄소를 보존하고, 그 과정에서 에너지를 거의 소비하지 않으며, 수십억톤의 탄소를 제거할 수 있도록 확장할 수 있다"고 설명했다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 기후 변화에 맞서는 국제적인 시도에 부합하는 탄소 제거에 대한 미래 지향적인 해결책을 제시한다. 카본 캐스트는 건설 산업 혁신에도 기여하고 있다. 그래파이트의 이러한 카본 캐스팅 기술은 2023년 'MIT 테크놀로지 리뷰(Technology Review)'의 50대 혁신 기술에 선정됐다. 건설 프로젝트에 탄소 저장 물질을 사용하면, 건물 자체가 탄소 중립 또는 탄소 네거티브가 되어 탄소 배출량을 줄이는 데 도움이 된다. 탄소 제거는 세계 경제의 탈탄소화를 실현하고, 배출량을 감축하는 데 필수적인 요소다. 그래파이트의 카본 캐스팅 기술은 직접 공기 포집이나 탄소 포집을 통한 바이오매스 에너지 사용과 같은 기존 방법보다 비용을 절감하며, 경제적으로 대규모 탄소 저장을 가능하게 목표를 달성할 수 있다. 이 기술은 쌀겨 등 폐식물 물질을 사용하기 때문에, 탄소 제거를 위한 지속 가능하고 확장 가능한 솔루션으로 평가 받고 있다. 그래파이트의 탄소 저장 기술은 단순한 탄소 격리 외에도 추가적인 이점을 제공한다. 이 기술로 제작된 탄소 고밀도 블록은 구조적 강도와 우수한 단열을 제공해 건물의 내구성과 에너지 효율성이 향상된다. 또한 폐기물 바이오매스를 원료로 사용하면 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고, 유기 물질과 관련된 기존의 폐기물 관리 문제를 해결할 수 있다. 탄소 흡수 건축 자재는 주거용 주택, 상업용 건물, 심지어 인프라 프로젝트에도 사용할 수 있어 프로젝트의 전반적인 환경 영향을 크게 줄일 수 있다. 그래파이트의 탄소를 포집하고 저장하는 건물은 자체적으로 이산화탄소를 흡수할 뿐만 아니라 미래의 도시가 어떻게 자급자족할 수 있는지를 보여주는 완전히 새로운 개념이라고 할 수 있다.
- 포커스온
2024-03-26
[신소재 신기술(19)] 항공기, 연료 효율 개선 위한 새로운 날개 디자인 개발

에어버스와 보잉을 포함한 항공기 제조업체들은 연료 효율 개선 등을 위해 새로운 날개 디자인을 연구하고 있다. 롭리포트는 24일(현지시간) 날개가 펄럭이는 비행기는 항공 우주보다는 애니메이션에 등장할 기술처럼 들릴지 모르지만 세계 최대 항공기 제조업체들은 넷제로를 실현하기 위해 혁신적인 방법으로 차세대 비즈니스 및 여객기를 개발하고 있다고 보도했다. 연구 목표는 항공기의 연료 효율을 획기적으로 향상시켜 2050년까지 탄소 중립을 달성하겠다는 항공 업계의 지속 가능성 목표를 실현하는 것이다. 유럽의 에어버스는 기류 저항을 극복하기 위해 모양이 변형되는 날개 디자인 등 급진적인 형태의 날개인 엑스트라 퍼포먼스 윙(Extra Performance Wing) 개발을 진행하고 있다. 반면 미국의 보잉은 NASA와 협력하여 기존보다 훨씬 길고 날씬한 날개를 받치는 트러스 구조를 사용하는 실험 항공기 X-66A 개발에 참여하고 있다. 에어버스 업넥스트 프로그램의 일부인 이 프로젝트의 기술 날개 책임자인 세바스티앙 블랑은 에어버스가 개발 중인 엑스트라 퍼포먼스 윙은 "새의 깃털을 모방해 공기역학적 흐름을 극대화하기 위해 자동으로 조정된다"고 말했다. 이 변형 날개 길이는 165피트에 이르며 내년에 세스나 시테이션 Ⅶ(Cessna Citation VII) 제트기로 시험 비행을 시작할 예정이다. 블랑은 "새처럼 능동 제어 기술을 사용해 주변 환경에 맞게 동적으로 적응한다"고 설명했다. 또한 부가적인 디자인인 접이식 윙팁을 통해 공항 게이트의 제약 조건에 맞으면서도 성능을 향상시킬 수 있다. 얇고 길쭉한 날개는 또한 보잉이 지난해 NASA의 지속 가능한 비행 시연 프로그램의 일환으로 승인한 컨셉트인 X-66A에도 중요한 부분이다. 7년에 걸쳐 11억 5000만 달러 규모의 이 프로젝트를 주도하는 보잉은 동체를 줄이고 엔진을 트랜소닉 트러스 브레이스드 윙(Transonic Truss-Braced Wing)이라는 공기 역학 트러스에 장착해 MD-90 항공기를 개조할 예정이다. 에어로플랩에 따르면 X-66은 미국이 항공 온실가스 배출 제로 목표를 달성하도록 돕는 데 초점을 맞춘 NASA의 첫 번째 실험용 비행기 프로젝트다. 지상 및 비행 시험은 2028년에 시작될 것으로 예상된다. NASA의 X-66A 프로젝트 관리자인 브렌트 코블리지는 "우리의 목표는 현재의 단일 통로 항공기를 대체할 수 있는 더 지속 가능한 비행기를 개발하는 것"이라고 말했다. 그는 또한 단일 통로 항공기는 전 세계 항공기 배출량의 거의 절반을 차지한다며 "우리는 이 프로젝트를 통해 최첨단 추진 시스템과 더 가벼운 소재를 사용하여 연료 소비를 30% 줄일 수 있을 것으로 기대한다"고 덧붙였다. 항공 업계가 향후 26년내에 탄소 중립을 달성하려는 목표는 비용 측면에서만도 상당한 어려움에 직면해 있다. 하지만 세계 최대 항공 우주 혁신 기업들이 독창적인 개념의 새로운 날개 설계에 나섬에 따라 다른 기업들도 곧 지속 가능 디자인을 속속 개발할 것으로 예상된다.
- 포커스온
2024-03-25
[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
[신소재 신기술(17)] 탄소 배출량 25만 톤 감소! 탄소 네거티브 복합 데크로 건설 산업의 탄소 발자국 줄이기

건축 자재에 이산화탄소(CO₂)를 저장해 보다 친환경적인 건축 자재를 만드는 혁신적인 기술이 개발됐다. 건물과 건축에 사용되는 자재의 생산은 일반적으로 지구 온난화와 기후 변화에 영향을 미치는 강력한 온실가스인 이산화탄소를 다량 배출한다. 기술 전문매체 테크익스플로어는 18일(현지시간) 과학자들이 새로 개발한 복합 데크는 제조 과정에서 배출되는 이산화탄소보다 더 많은 이산화탄소를 저장함으로써 탄소 네거티브 특성을 구현했다고 보도했다. 이는 기존 복합 데크의 한계를 극복하는 중요한 성과다. 연구팀은 미국 화학회(ACS) 춘계 회의에서 이번 연구 결과를 발표했다. 이 프로젝트의 수석 연구자 중 한 명인 유기 화학자 데이비드 헬데브란트에 따르면 페록 등 몇 가지 유형의 시멘트를 제외하고는 탄소 네거티브 복합재가 거의 없는 상태다. '페록'은 돌과 철을 결합한 것으로 콘크리트 보다 강도가 5배 높은 친환경 차세대 건축자재다. 시멘트 대용품으로 사용되는 친환경 건축 자재인 페록은 주로 폐철강 분진과 유리 분쇄물에서 나온 실리카 등 재활용 재료로 생산된다. 철강 분진은 이산화탄소와 반응해 탄산철을 생성하고, 이것이 응고되면 페록이 된다. 건축, 전체 탄소 배출량의 11% 차지 헬데브란트는 그의 팀이 개발한 복합 데크는 "사용 기간 동안 이산화탄소를 배출하지 않는 최초의 복합 재료 중 하나"라고 말했다. 데이비드 힐데브란트는 미국 태평양 북서부 국립연구소(PNNL)에서 일하며 CO₂ 포집을 위한 특수 액체를 개발하고 있다. 세계그린빌딩위원회에 따르면 건물 건설에 사용되는 자재와 공정은 전체 에너지 관련 탄소 배출량의 11%를 차지한다. 그로 인해 업계에서는 재활용 또는 식물 유래 제품을 사용하는 등 탄소 배출량을 상쇄할 수 있는 건축 자재를 개발하는 데 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 대부분의 경우 이러한 지속 가능한 건축 자재는 기존 자재보다 비싸거나 강도나 내구성과 같은 특성을 따라갈 수 없는 경우가 많다. 건축 자재의 한 유형인 데크는 수십억 달러 규모의 산업이다. 목재 플라스틱 합성물로 만든 데크 보드는 자외선에 의한 손상이 적고 오래 사용할 수 있기 때문에 목재 보드의 대안으로 인기가 높다. 합성 데크는 일반적으로 목재 칩 또는 톱밥과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 플라스틱을 혼합하여 제작한다. 이러한 복합재를 보다 지속가능하게 만들기 위한 대안은 폐기물 또는 태워버릴 수 있는 필러를 사용하는 것이다. 헬데브란트의 동료인 키르티 카파간툴라가는 저품질의 갈탄과 제지 과정에서 남은 목재 유래 제품인 리그닌을 데크 합성물의 충전재로 사용했다. 연구팀은 석탄과 리그닌 입자를 플라스틱과 혼합하여 플라스틱에 부착되게 하기 위해 입자의 표면에 에스테르 기능기를 첨가했다. 헬데브란트는 "에스테르는 본질적으로 카복실산이며, 이는 CO₂가 포집된 상태"라고 설명했다. 연구팀은 이 과정을 검증하기 위해 CO₂와 석탄, 리그닌과 같은 목재 제품에 풍부한 페놀 사이에 새로운 화학 결합을 형성하는 고전적인 화학 반응으로 전환했다. 이 반응을 거친 후 리그닌과 석탄 입자는 무게 기준으로 2~5%의 CO₂를 함유했다. 이어서 연구팀은 이 입자들을 다양한 비율로 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 혼합해 갈색을 띠는 검은색 복합재를 제작하고 그 성질을 평가했다. 필러를 80%까지 포함한 복합재는 CO₂ 함량을 최대화하면서도 국제적인 건축 자재 규정에 부합하는 강도와 내구성을 보였다. 이 소재는 PNNL의 전단 보조 가공 및 압출(ShAPETM) 기계를 사용해 마찰 압출 공정으로 제조됐다. 연구원들은 이 기술을 이용해 데크나 야외 가구에 적합한, 표준 목재 복합재와 유사한 외형과 질감을 지닌 10피트(약 3m) 길이의 복합재 패널을 제작했다. 이 새로운 합성 데크 재료는 우수한 물리적 성질뿐만 아니라, 상당한 경제적 및 환경적 이점을 제공한다. 이 데크는 표준 합성 데크 재료보다 18% 더 저렴하다. 헬데브란트는 이 데크가 제조 과정과 사용 기간 동안 발생하는 이산화탄소 양보다 더 많은 이산화탄소를 저장할 수 있는 능력을 갖추고 있다고 말했다. 미국, 1년간 목재 데크 판매량은? 미국에서 매년 판매되는 데크의 양은 35억 5000만피트(약 108만 2040km)에 달한다. 헬데브란트는 연구팀이 개발한 CO₂ 네거티브 복합 데크가 이를 대체하게 되면, 연간 약 25만 톤의 CO₂를 격리할 수 있으며, 이는 5만4000대의 자동차가 1년 동안 배출하는 CO₂량과 맞먹는다고 설명했다. 연구팀은 향후 더 다양한 복합재 조합을 개발하고 그 특성을 실험할 계획이다. 또한 울타리나 사이딩(건물 외벽 마감재)과 같은 여러 건축 자재에 대한 탄소 네거티브 복합재를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 동시에, 연구팀은 이 새로운 탄소 네거티브 데크의 상용화를 위해 노력 중이다. 이 혁신적인 데크는 이르면 내년 여름부터 건축 자재 전문 매장에서 판매될 수 있을 것으로 예상된다.
- 포커스온
2024-03-20
[신소재 신기술(16)] 휴머노이드 로봇, 달리기 신기록 수립

중국 로봇 회사 유니트리(Unitree)의 새 휴머노이드 로봇 H1이 달리기 신기록을 수립했다. '인간의 외모를 지닌 것'이라는 뜻을 가진 '휴머노이드(humanoid)'는 로봇 따위를 통틀어 이르는 말로 인간형 로봇을 의미한다. 지난 14일(현지시간) 영국 데일리 메일에 따르면 유니트리의 휴머노이드 로봇 H1 에볼루션 V3.0의 최대 속도는 11mph(초당 3.3미터)에 달한다. 이는 마라톤 경기로 따지면 2시간 23분만에 완주할 수 있는 속도다. 참고로 올림픽 남자 마라톤 신기록은 2008년 베이징 올림픽에서 케냐의 사무엘 완지루가 세운 2시간 06분 32초다. 유니트리가 최근 공개한 영상에는 H1 로봇의 주목할 만한 달리기 성능이 담겨 있다. 영상 속 H1 로봇은 넓은 공간을 가로질러 달리기 시작했다. 강력한 점프와 다양한 움직임을 보여 민첩성과 균형 감각을 과시하기도 했다. 신장 180cm에 달하는 이 거대한 로봇은 개발 중인 다른 대부분의 휴머노이드 로봇보다 크기가 돋보인다. 또한 성인 남성이 옆에서 공격해도 넘어지지 않고 걷는 속도를 유지했다. 유니트리는 영상 내에서 이 로봇의 속도가 시속 12.1km/h(3.3m/s)에 달한다고 주장했다. 유니트리 웹사이트에 따르면 H1의 최대 속도는 시속 17.7km/h(5m/s)에 도달할 수 있다. 이 속도대로라면 마라톤 경기를 2시간 23분이라는 인상적인 기록으로 완주할 수 있다. 이러한 속도는 다른 풀사이즈 휴머노이드 로봇 대비 우위를 확보한다. 파쿠르와 백 플립 기술로 유명한 보스톤 다이내믹스의 아틀라스는 최고 속도가 시속 9.7km/h (2.5m/s)에 불과하다. 뛰어난 민첩성을 자랑하는 아지리티 로보틱스의 캐시 로봇은 시속 16.1km/h (4m/s)의 속도를 보여 H1과 비슷한 수준이다. 하지만 캐시는 모터가 달린 다리 두 개만으로 구성되어 있어 풀사이즈 휴머노이드 로봇으로 분류하기는 어렵다. 유니트리에 따르면 로봇의 허리와 무릎 관절에서 생성되는 강력한 토크가 속도에 영향을 미친다. 각 무릎 관절은 360 뉴턴 미터의 토크를 생성할 수 있어 다리를 더 빠르게 앞뒤로 휘두를 수 있다. 덕분에 H1은 사람만큼 높이 뛰어오를 수도 있다. 유니트리는 웹사이트에서 "최첨단 동력계는 최고 수준의 속도, 출력, 기동성 및 유연성을 제공한다"라고 밝혔다. 이 휴머노이드 로봇 H1은 신장 1.8m, 무게 47kg으로 크기에 비해 상당히 가볍다. 반면, 보스톤 다이내믹스의 아틀라스는 신장은 1.5m에 불과하지만 무게는 89kg에 달한다. H1 로봇의 기능은 직선 달리기만 가능한 것이 아니다. 영상 속 H1은 뛰어난 협응력과 균형 감각을 필요로 하는 다양한 기술을 산보였다. 한 영상에서는 세 대의 로봇이 함께 군무를 추고, 다른 영상에서는 로봇이 넘어지지 않고 계단을 오르 내리는 모습이 나온다. 또 다른 영상에서는 H1이 개와 비슷한 다른 로봇 뒤에서 바구니를 성공적으로 집어 테이블 위에 놓는 모습도 확인할 수 있다. H1은 머리에 장착된 카메라와 라이다(LiDAR, 빛 감지 및 거리 측정) 센서의 조합 덕분에 주변 환경을 탐색할 수 있다. H1은 LiDAR를 사용해 주변 환경에 대한 정보를 구축하기 위해 지속적으로 레이저 펄스를 발사한다. 한편, 유니트리는 휴머노이드 로봇 H1의 공식적인 가격이나 출시 날짜를 아직 발표하지 않았다. 다만, 이전 영상 제목에는 '9만 달러(약 1억 2000만원) 미만의 구현된 인공지능(AI) 가격'이라고 한다. 보스톤 다이내믹스의 사족 보행 로봇 스팟(Spot)은 최저가 7만 5000달러에 시작하며, 적재 및 하역에 사용되는 스트레치(Stretch)는 대당 30만 달러(약 4억원)에서 50만 달러(약 6억 6700만원) 사이다. 일론 머스크는 테슬라의 휴머노이드 로봇 옵티머스(Potimus)의 가격을 2만 달러(약 2665만원) 이하로 유지하고 싶다고 밝힌 바 있다. 하지만 옵티머스는 아직 양산 단계에 진입하지 않았으므로 실제 가격은 아직 확정되지 않았다. 앱트로닉이 개발한 휴머노이드 로봇 아폴로(APOLLO)는 좀더 인간과 비슷한 모습이다. 아폴로는 팔과 다리, 눈이 각각 두 개이며, 키는 약 172cm(5피트 8인치)로 무게는 72.5kg이다. 25kg의 물체를 들어 올릴 수 있으며 배터리는 4시간 지속된다. 앱트로닉은 2024년 말 아폴로 출시를 목표로 하고 있으며 가격은 아직 공개되지 않았다. 2022년 골드만삭스 보고서는 휴머노이드 로봇이 2025~2028년에는 공장에서, 2030~2035년에는 가정에서 사용할 수 있을 것으로 예측했다.
- 포커스온
2024-03-18

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