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2024-11-22 (금)

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현대차, '미래차 고장 예측' 기술 선점 나선다…서울대 등 8개 대학과 손잡아

현대자동차그룹이 미래 모빌리티 패러다임을 선도할 핵심 기술 확보에 박차를 가한다. 국내 유수 대학들과의 공동 연구를 통해 차량 고장을 예측하고 선제적으로 대응하는 'PHM(고장 예측 관리) 기술' 고도화에 나선 것이다. 현대차그룹은 서울대, 건국대, 성균관대, 인하대, 한국기술교육대, 한양대, 광주과학기술원(GIST), 울산과학기술원(UNIST) 등 8개 대학과 협력해 'PHM 기술' 개발을 위한 공동 연구실을 설립한다고 16일 밝혔다. 지난 15일 서울대 엔지니어하우스에서 개최된 협약식에는 양희원 현대차·기아 연구 개발(R&D) 본부장(사장), 김영오 서울대 공과대학장 등 주요 관계자들이 참석하여 협력 의지를 다졌다. 이번 산학 협력은 자율 주행 및 전동화 시대에 발맞춰 차량 시스템의 복잡성이 증대됨에 따라 발생 가능한 잠재적 고장을 사전에 예측하고 관리하여 안전성과 신뢰성을 극대화하기 위한 것이다. 공동 연구실은 2027년까지 PHM 요소 기술, 차량 탑재 하드웨어 및 소프트웨어 개발, PHM 플랫폼 구축을 위한 기반 기술 연구에 매진할 계획이다. 특히 차량 시스템의 고장 징후를 실시간으로 포착하기 위한 센서 데이터 수집 및 분석, 예측 알고리즘 고도화에 연구 역량을 집중한다. 이를 통해 차량 내 임베디드 시스템 또는 클라우드 기반의 PHM 플랙폼을 구현하여 고장 예측 정확성을 향상시키는 것이 목표다. 현대차그룹은 이번 연구 성과를 바탕으로 목적기반차랑(PBV)의 예방정비 시스템을 국내 협력 업체들과 연계하여 상용화하고, 나아가 자율 주행 차량을 비롯한 다양한 모빌리티 분야로 PHM 기술 적용범위를 확대할 계획이다. 양희원 현대차·기아 사장은 "PHM 기술은 자율 주행 시대의 안전과 신뢰성을 담보하는 핵심 기술"이라며 "선도적인 기술력 확보를 통해 미래 모빌리티 산업을 이끌어 나가겠다"는 포부를 밝혔다. PHM 기술이란? PHM 기술은 'Prognostics and Health Management(고장 예측 및 관리)'의 약자로, 쉽게 말하면 기계나 장비의 고장을 미리 예측하고 관리하는 기술이다. 마치 사람이 정기적으로 건강검진을 받아 질병을 예방하듯, 기계도 PHM 기술을 통해 '상태'를 체크하고 문제가 생길 가능성을 미리 알아내는 것을 말한다. 의사가 검진 결과를 보고 진단을 내리듯, PHM 기술은 수집된 데이터를 분석하여 기계의 현재 상태를 진단하고, 앞으로 고장이 발생할 가능성을 예측한다. PHM 기술이 중요한 이유는? 기계 고장으로 인한 사고를 예방해 사람의 안전을 지킬 수 있다. 고장이 나기 전에 기계를 미리 수리하면, 큰 고장으로 이어지는 것을 막아 수리 비용을 줄일 수 있고, 기계의 수명도 늘릴 수 있다. 또한 기계의 가동율을 높여 생산성을 향상시킬 수 있다. 이처럼 PHM 기술은 사람의 안전과 편의를 향상시키는데 중요한 역할을 하고 있다. 향후 더욱 발전해 스마트 팩토리, 발전소나 공장 등 산업 현장 뿐만 아니라 의료 장비 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
- 산업
2024-10-16
[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성

한국 기초과학연구원 연구원들이 새로운 액체 금속 합금 시스템을 사용해 상온 상압에서 다이아몬드 합성에 성공했다. 기초과학연구원(IBS)은 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 연구단장 팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압과 1025°C의 상온 상압 조건에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다. 이 연구는 기존의 다이아몬드 합성 방법을 획기적으로 발전시킬 수 있는 성과라고 사이언스얼럿과 과학기술 웹사이트 Phsy 등에서도 비중있게 다뤘다. 기존의 다이아몬드 합성은 고온 고압(HPHT) 방법을 사용하며, 고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀 제한 크기 때문에 다이아몬드 크기도 작아서 약 1㎠로 제한된다. 일반적으로 다이아몬드는 액체 금속 촉매를 사용해 '기가파스칼 압력 범위'(일반적으로 5~6GPa, 1GPa는 약 1만 기압)와 1300~1600°C의 고온에서만 다이아몬드를 생산할 수 있다. 천연 다이아몬드는 지하 깊은 곳의 극식한 압력과 온도에서 형성되는 데 수십억년이 걸린다. 합성 다이아몬드는 최대 몃 주 동안 강력한 압착이 필요하다. IBS 연구팀이 이번에 개발한 액체 금속 혼합을 기반으로 한 새로운 방법은 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 깨고,1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 처음으로 다이아몬드를 합성했다. 이는 우리가 해수면에서 느끼는 압력과 동일하며 일반적으로 요구되는 압력보다 수만 배 더 낮다. 연구팀은 빠르게 가열과 냉각이 가능한 'RSR-S'라는 냉벽 진공 장치를 자체 제작해 통상 3시간 걸리는 기존 장치들과 달리, 15분이면 끝날 수 있게 했다. RSR-S는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치다. 연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 하부 표면에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 성장하는 것을 확인했다. 이 연구는 '네이처(Nature)' 저널 온라인에 게재됐다. 현재 다양한 산업 공정, 전자 제품, 심지어 양자 컴퓨터에 사용되는 대부분의 합성 다이아몬드를 만드는 데 사용되는 공정은 며칠이 걸리며 훨씬 더 많은 압력이 필요하다. 이 새로운 기술이 그 잠재력을 발휘한다면 다이아몬드 제작은 훨씬 더 빠르고 쉬워질 것이다. UNIST 석좌교수이기도 한 루오프 소장은 "이 선구적인 돌파구는 인간의 독창성과 끊임없는 노력, 그리고 많은 공동 연구자들의 협력이 만들어낸 결과"라고 말했다. 연구팀은 "액체 금속을 사용하는 일반적인 접근 방식은 다양한 표면에서 다이아몬드의 성장을 가속화하고 발전시킬 수 있으며 아마도 작은 다이아몬드(씨앗) 입자에서 다이아몬드의 성장을 촉진할 수 있다"라고 썼다. 루오프 소장은 "우리는 대형 챔버(내부 용적이 100리터인 RSR-A 챔버)에서 파라미터 연구를 진행했는데, 공기를 펌핑(약 3분)하고 불활성 가스로 퍼지(90분)한 다음 다시 진공 수준으로 펌프 다운(3분)하여 챔버를 1기압의 매우 순수한 수소/메탄 혼합물로 채우고(다시 90분) 실험을 시작하는 데 3시간 이상 소요되는 시간 때문에 다이아몬드 성장을 위한 파라미터 탐색이 더뎠다!"고 밝혔다. 이어 성원경 박사는 "메탄과 수소의 혼합물에 노출된 액체 금속으로 실험을 시작하고 완료하는 데 필요한 시간을 크게 줄이기 위해 훨씬 더 작은 챔버를 설계하고 제작하도록 요청했다"고 말했다. 성 박사는 "우리가 새로 제작한 시스템 즉, 내부 용적이 9리터에 불과한 RSR-S은 총 15분 만에 메탄/수소 혼합물을 펌핑, 퍼지, 배출, 채우기까지 완료할 수 있다. 매개변수 연구가 크게 가속화되었고, 이를 통해 액체 금속에서 다이아몬드가 성장하는 매개변수를 발견할 수 있었다"라고 설명했다. 제1저자인 얀 공 UNIST 대학원생은 "어느 날 RSR-S 시스템으로 실험을 진행한 후 흑연 도가니를 식혀 액체 금속을 고형화한 후 고형화된 액체 금속 조각을 제거했을 때, 이 조각의 바닥면에 수 밀리미터에 걸쳐 '무지개 무늬'가 퍼진 것을 발견했다. 그 무지개 색이 다이아몬드 때문이라는 사실을 알게 되었다! 이를 통해 다이아몬드의 재현 가능한 성장에 유리한 매개변수를 파악할 수 있었다"라고 말했다. 연구팀은 또 '광 발광 분광법' 실험으로 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 준석해 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조도 발견했다. 이 구조는 액체 금속 합성 구성요소 중 하나인 실리콘이 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 것이다. 실리콘 공극 컬러 센터 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고, 양자 현상(양자적인 특성)을 보인다. 그로 인해 향후 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨팅 분야의 응용이 기대된다. 논문 공동 저자인 메이후이 왕 박사는 "실리콘 공극 컬러 중심을 가진 이 합성 다이아몬드는 자기 감지 및 양자 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 새로운 조건에서 다이아몬드가 핵을 형성하고 성장할 수 있는 메커니즘에 대해 심도 있게 연구했다. 시료의 단면을 고해상도 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 결과 다이아몬드와 직접 접촉한 고체 액체 금속에 약 30~40nm 두께의 비정질 표면 영역이 존재하는 것으로 나타났다. 공동 저자인 최명기 박사는 "이 비정질 영역의 상부 표면에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소 원자였으며, 탄소 농도는 깊이에 따라 감소하는 것으로 나타났다"고 말했다. 연구팀은 또한 실리콘이 다이아몬드의 새로운 성장에 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했다. 합금의 실리콘 농도가 최적 값보다 증가함에 따라 성장한 다이아몬드의 크기는 작아지고 밀도는 높아진다. 실리콘을 첨가하지 않으면 다이아몬드를 전혀 성장시킬 수 없었으며, 이는 실리콘이 다이아몬드의 초기 핵 형성에 관여할 수 있음을 시사한다. 루오프 소장은 "이 액체 금속에서 다이아몬드의 핵 형성과 성장에 대한 우리의 발견은 매우 흥미롭고 기초 과학을 위한 많은 흥미로운 기회를 제공한다. 이제 우리는 핵 형성과 그에 따른 다이아몬드의 빠른 성장이 언제 일어나는지 탐구하고 있다. 또한 탄소와 기타 필요한 원소의 과포화를 먼저 달성한 다음 온도를 빠르게 낮춰 핵 생성을 촉발하는 '온도 강하' 실험도 유망한 연구"라고 말했다.
- 포커스온
2024-04-25
UNIST, 실시간 변형 가능 메타 물질 개발

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 실시간으로 모양과 성질을 바꿀 수 있는 물질을 개발했다. 5일 UNIST 발표에 따르면, 신소재공학과 김지윤 교수와 제1저자 최준규 연구원 등 연구팀은 세계 최초로 실시간으로 물질의 모양과 특성을 조절할 수 있는 메타 물질을 개발했다. 기존 메타 물질은 설계된 모양과 특성을 바꿀 수 없거나 제한적으로만 변화할 수 있었지만, 이번 연구에서 개발된 메타 물질은 실시간으로 적재적소에 사용할 수 있다는 점이 특징이다. 메타 물질은 자연에 존재하는 물질과는 달리 특별한 물리적 특성을 가지도록 설계된 인공 물질이다. 예를 들어, 젤리와 같은 일반적인 물질은 세로 방향으로 누르면 가로가 늘어나지만, 메타 물질은 세로 방향으로 눌러도 가로가 줄어들 수 있다. 이러한 특성은 건축, 항공, 로봇 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 다시 말하면, '메타 물질'은 일반적인 물질과는 다르게 극미세한 구조나 특수한 물성을 가진 물질을 지칭하는 용어다. 이러한 물질은 전자파 등의 에너지를 특별한 방식으로 상호 작용하거나 제어할 수 있는 특성을 갖고 있다. 최근의 연구에서는 메타 물질을 사용하여 광학 장치, 플렉서블 전자기기, 에너지 효율적인 소자 등의 다양한 응용 분야에서 혁신적인 기술이 개발되고 있다. 메타 물질은 주로 나노 기술이나 메타물질 공학을 통해 디자인되며, 다양한 형태와 특성을 갖추고 있다. UINST 연구팀은 메타 물질의 기본 단위 구조인 메타 픽셀에 액체 또는 고체로 변하게 만드는 녹는 점이 낮은 합금을 융합했다. 이어 융합된 합금의 상태가 변화하는 것을 픽셀 단위로 조절하면서 메타 물질의 다양한 성질을 구현했다. 또한, 융합된 합금을 활용하여 디지털 패턴의 정보(0=액체, 1=고체)를 표현하며, 사용자는 실시간으로 디지털 패턴 명령어를 입력할 수 있도록 설계됐다. 입력된 디지털 패턴을 통해 메타 물질의 모양, 강도, 변형 비율 등이 실시간으로 조절된다. 연구팀은 개발한 메타 물질의 활용하여 '적응형 충격 에너지 흡수 물질'을 시연했다. 이 물질은 예측하지 못한 상황에서 발생하는 충격에 따라 성질을 적절히 변형하고, 보호하는 대상에 전달되는 힘을 최소화해 손상이나 부상의 가능성을 줄였다. 연구팀은 또 메타 물질을 원하는 장소와 시간에 힘을 전달할 수 있는 '힘 전달 재료'로 성공적으로 활용했다. 김지윤 교수는 "개발한 메타 물질은 기존의 다양한 디지털 기술과 기기뿐만 아니라 딥러닝 등 인공지능 기술과도 원활하게 호환될 수 있다"며 "스스로 학습하고 주변 환경에 적응할 수 있는 혁신적인 신소재의 첫걸음이 될 것"이라고 말했다. 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 표지 논문으로 선정돼 지난달 25일 정식 출판됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 한국재료연구원 지원을 받았다.
- IT/바이오
2024-02-05
독일 스타트업, 시리즈 생산용 고체 전지 세계 최초 개발

독일의 스타트업이 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 신형 고체 전지의 개발에 성공해, 상용화를 앞두고 있다. 스페인 에너지 전문 매체 '리뉴어블 에너지 매거진'에 따르면, 독일 HPB(High Performance Battery)의 귄터 햄비처 박사 연구팀이 세계 최초의 시리즈 생산용 고체 전지를 선보였다. 이번 고체 전지 개발은 배터리 및 에너지 저장 분야에서 높은 성과를 거두며, 가정용부터 산업용, 자동차 산업에 이르기까지 광범위한 분야에 적용될 전망이다. 특히 HPB의 고체 전지는 기존 리튬이온 배터리보다 월등한 성능을 자랑한다. 내구성 면에서도 1250회 충전이 가능한 리튬이온 배터리에 비해, 이 신형 고체 전지는 최소 1만2500회의 충전이 가능하며, 불연성이라는 높은 안전성도 갖췄다. 또한, 환경 친화적인 면에서도 기존 기술에 비해 50% 이상 우수한 성능을 보이고 있어 에너지 및 이동성 분야에서 '녹색 혁명'을 주도할 기술로 평가받고 있다. HPB 고체 전해질은 현재 널리 사용되고 있는 액체 전해질에 비해 뛰어난 전도성이 특징으로, 이는 전지 셀에서 사용 가능한 전력에 큰 영향을 준다. 실제로, 영하 40°C에서도 HPB 고체 전해질은 기존 액체 전해질이 영상 60°C에서 보이는 최적의 전도성보다도 더 높은 성능을 나타냈다. 자동차 산업에 적용될 고성능 충전식 배터리 개발을 위해 HPB는 이 고체 전해질을 활용한다. 이로 인해 극한의 낮은 온도 환경에서도 배터리가 안정적으로 작동할 수 있으며, 따라서 겨울철에 배터리를 예열하는 작업이 필요 없게 되었다. 또한, HPB 고체 배터리의 수명이 더 길어져 교체 주기가 늘어나 원자재 소비도 줄어든다. 사용되는 주요 원자재들은 전 세계적으로 안정적으로 확보가 가능해, 현존하는 지정학적 의존성 문제도 해결할 수 있을 것으로 보인다. 플래시 배터리 테크(Flash Battery Tech)는 "최근 고체 전지 연구 결과, 현재 리튬 이온 기술보다 2-2.5배 더 높은 에너지 밀도를 가진 것으로 확인되었다"고 밝혔다. 그는 "이러한 고체 배터리의 도입은 더 가볍고 컴팩트한 배터리를 가능하게 해, 전기자동차의 주행 거리를 크게 늘릴 수 있다"고 덧붙였다. 기술의 실제 적용을 통해 그 효과를 확실히 알 수 있을 것으로 보인다. 이론적으로, 54Kwh의 전기자동차(EV) 배터리 용량이 108-135Kwh로 증가할 경우, 한 번의 완전 충전으로 64만4805km(40만500마일)를 주행할 수 있을 것으로 예상된다. HPB의 세바스찬 하인즈(Sebastian Heinz) CEO는 "우리 기술은 단순히 배터리 기술의 새로운 장을 여는 것이 아니라, 전세계적인 에너지 전환과 기후 보호에도 중요한 역할을 하고 있다"며, "독일과 유럽, 인도 등 여러 국가에서 이미 우리 기술에 큰 관심을 보이고 있으며, 스위스에서는 이 기술을 활용한 기가팩토리 설립도 계획 중에 있다"고 설명했다. 한편, 한국에서도 전고체 배터리 분야에서 주목할 만한 성과가 나왔다. 김현우 한국기초과학지원연구원(KBSI) 선임연구원과 김영식 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수가 이끄는 팀은 산화물 기반 'LATP' 고체 전해질막을 개발했다. 이 전해질막은 높은 온도에서 소멸하는 탄소 재질의 '희생 템플레이트' 합성법을 사용하여 만들어졌으며, 이를 통해 상업적으로 사용될 수 있을 만큼 충분한 이온 전도도를 가지고 있다. 또한, 이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수와 한국전자통신연구원(ETRI)의 연구팀은 흑연-실리콘 기반의 전극에 사전 리튬화 기술을 도입하여, 더 높은 에너지 밀도와 안정성을 가진 전고체 전지용 전극을 개발했다. 이로 인해 전극의 초기 충방전 효율이 개선되었으며, 전기화학적 성능도 향상됐다. 특히, 리튬화 과정에서 일어나는 전극의 부피 팽창이 약 40% 감소하여, 전극의 수명이 더욱 연장되었다는 결과가 나왔다.
- 산업
2023-10-19
삼성SDI‧한국산업기술평가관리원, 리튬이온배터리용 내화성 젤 공개

삼성SDI와 한국산업평가관리원 과학자들이 화재 위험이 낮은 리튬이온배터리용 내화성 젤을 개발했다. 호주 매체 미라지뉴스는 17일(현지시간) 한국의 유니스트(UNIST) 에너지·화학공학부의 송현곤 교수, 한국화학연구원 첨단특수화학연구센터의 정서현 박사, 한국에너지기술연구원 울산에너지기술연구센터의 김태희 박사가 이끄는 공동 연구팀이 배터리 기술의 획기적인 이정표를 세웠다며 불연성 젤 고분자 전해질(GPE)을 개발해 리튬이온 배터리(LIB)의 열 폭주와 화재 사고 위험을 완화해 안전성을 획기적으로 개선했다고 보도했다. 리튬이온 배터리의 잠재적인 가연성은 특히 지하 주차장에 있는 전기 자동차(EV)에서 심각한 화재 우려가 제기됐다. 연구팀은 이 문제를 해결할 새로운 방법을 찾았다. 그들은 불연성 고분자 반고체 전해질을 성공적으로 개발해 배터리 화재를 효과적으로 줄일 수 있는 방안을 제시했다. 기존에는 불연성 전해질을 만들기 위해 난연성 첨가제나 끓는점이 매우 높은 용매를 주로 사용해 왔다. 그러나 이러한 방법은 종종 이온 전도도가 크게 감소해 전해질의 전반적인 성능을 저하시켰다. 연구팀은 전해질에 미량의 폴리머를 도입하여 반고체 전해질을 만들었다. 이 새로운 접근법은 기존 액체 전해질에 비해 리튬 이온 전도도를 33%까지 획기적으로 높였다. 또한 이 불연성 반고체 전해질을 적용한 파우치형 배터리는 고체-전해질 간상(SEI) 층을 형성하고 작동하는 동안 불필요한 전해질 반응을 효과적으로 방지해 수명 특성이 110% 향상됐다. 이 혁신적인 전해질의 주요 장점은 탁월한 성능과 불연성이다. 고분자 반고체 전해질은 배터리 화재 발생을 줄이기 위해 연소 중 연료 화합물과의 라디칼 연쇄 반응(Radical Chain Reaction)을 억제한다. 연구팀은 이러한 라디칼 반응의 안정화와 억제 능력을 정량적으로 분석하여, 개발된 고분자가 얼마나 우수한지를 입증했다. 정지홍 교수(UNIST 에너지·화학공학부)는 "배터리 내부의 고분자 물질과 휘발성 용매의 상호작용을 통해 라디칼 연쇄 반응을 효과적으로 억제할 수 있다"고 강조했다. 정 교수는 "전기화학적 정량화를 통해 불연성 전해질의 메커니즘을 이해하는 데 크게 기여할 것"이라고 말했다. 공동 제1저자인 김미금 UNIST 에너지·화학공학부 석사과정과 한국화학연구원의 연구팀은 다양한 실험을 통해 배터리 자체의 뛰어난 안전성을 추가로 확인했다. 그들은 그림 2와 같이 불연성 반고체 전해질을 파우치형 배터리에 적용, 실제 배터리 응용 분야에서 전해질의 불연성을 평가했고, 이를 통해 배터리의 종합적인 안전성을 검증했다. 송현곤 교수는 "UNIST의 전기화학, 한국화학연구원 첨단특수화학연구센터의 고분자 합성, 한국에너지기술연구원 울산첨단에너지기술연구센터의 배터리 안전성 시험 등 연구팀의 다학제적 구성이 이번 성과에 큰 힘이 됐다"고 말했다. 이어 "기존 배터리 조립 공정에 바로 적용할 수 있는 불연성 반고체 전해질을 사용함으로써 향후 보다 안전한 배터리 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 이번 연구는 국내 5건, 해외 2건의 특허를 출원해 그 의의를 더하고 있다. 또한 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'의 표지 논문으로 선정되어 2023년 10월 13일 온라인에 게재됐다. 이 연구는 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부(과기정통부), 한국산업기술평가관리원(KEIT), 한국화학연구원(KRICT), 삼성SDI(주)의 지원으로 수행됐다.
- 산업
2023-10-18