[파이낸셜뉴스] 상보가 2차전지 핵심 소재로 부각되고 있는 탄소나노튜브 시장이 매년 두 자릿수 성장세를 보이고 있는 가운데 세계 최초로 CNT 투명전극 필름을 상용화했다는 소식에 강세를 보이고 있다. 27일 오전 10시 21분 현재 상보는 전날보다 5.71% 오른 1480원에 거래되고 있다. 코트라 실리콘밸리무역관과 시장조사업체 마켓앤마켓에 따르면 전 세계 탄소나노튜브 시장은 2021년 8억7630만달러(약 1조1630억원)에서 2026년 17억1380만달러(약 2조2750억원)로 연평균 24.4% 성장할 전망이다. 특히 미국 시장의 경우 2021년 1119킬로톤(kt)에서 2026년 3210kt으로 확대될 것으로 내다보고 있다. 탄소나노튜브는 원기둥 모양을 지닌 나노 구조의 탄소 동소체다. 전기적·기계적 특성이 우수하고 기존 물질에 비해 물성이 뛰어나다. 전지 전극 재료와 섞이면 전기적 특성이 높아지고 플라스틱과 혼합하면 고강도 플라스틱 제조가 가능하다. 이러한 장점 덕분에 반도체와 에너지, 화학, 의료 산업 등에서 수요가 증가하고 있다. 한편 상보는 세계 최초로 CNT 투명전극 필름 상용화를 이뤄내면서 희토류 대체재로 주목받는 탄소나노튜브 관련 기술을 보유하고 있다. 상보는 건축용 윈도우필름, 미디어필름, 신소재 등의 사업을 영위하고 있는 가운데 그래핀 관련주로 거론된다. 이 회사는 탄소나노튜브를 사용한 터치스크린용 센서 등을 생산하고 있다. 또 상보는 월 생산 20만셀 규모의 탄소나노튜브(CNT) 투명전극필름 1차 양산설비를 경기 김포공장에 착공한 바 있다. dschoi@fnnews.com 최두선 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 실내 조명(빛)으로 배터리를 충전해 쓰는 에너지 재활용 시대가 앞당겨질 전망이다. 충전 효율을 크게 끌어올린 전극 소재가 새롭게 개발됐다. UNIST 송현곤·권태혁 교수 연구팀은 실내조명을 이용한 에너지 효율을 13.2%까지 끌어올린 배터리 시스템을 개발했다고 25일 밝혔다. 이는 이제껏 개발된 광 충전 시스템 중 최고 기록인 11.5%를 훌쩍 뛰어넘는다. 연구진은 전극소재인 리튬망간산화물(LiMn2O4)에 리튬 이온을 더 빠르게 집어넣는 방법으로 충전효율을 높였다. 리튬망간산화물에 전기화학적 자극을 줘 입자들을 한 방향으로 정렬시키고 그 크기를 키움으로써, 리튬 이온이 전극에 더 많이, 더 빨리 저장될 수 있도록 했다. 투과전자현미경 사진으로 입자의 방향 정렬성과 크기개선이 확인됐다. 특히 입자 하나의 크기가 기존 26 nm(나노미터, 10-9)에서 34 nm로 커졌다. 개발된 광 충전 이차전지 시스템은 염료감응 태양전지(발전기)와 발전으로 얻은 전력을 저장하는 배터리가 합쳐진 시스템이다. 리튬 이온이 배터리 전극에 단위 시간당 더 많이 저장될수록 충전 효율이 높다. 연구진은 이 같은 시스템을 선행연구를 통해 개발하고, 11.5%의 높은 에너지 변환·저장 효율을 기록한 바 있다. 제1저자인 이명희 UNIST 에너지화학공학과 박사는 “리튬망간산화물은 일반적 리튬이온배터리에서 일어나는 반응 외에 리튬이온을 저장하는 또 다른 반응 경로가 있는데, 이를 이용해 결정 구조를 정렬시킬 수 있었다”고 설명했다. 공동 제1저자인 김병만 UNIST 화학과 연구조교수는 “실제로 리튬이온을 추가로 넣는 반응에서는 결정구조가 정육면체 구조(cubic)에서 정방정계 구조(tetragonal)로 바뀌게 된다”며 “충·방전으로 이런 변화가 반복되면서 입자를 정렬시키는 것”이라고 설명했다. 한편, 염료감응 태양전지를 이용한 실내조명 발전은 실리콘 태양전지 등과 달리 어두운 밝기(저조도) 빛으로 전기 생산이 가능하지만, 빛이 없는 조건에서도 안정적으로 쓰기 위해서는 생산된 전력을 저장하는 배터리 시스템이 함께 필요하다. 권태혁 교수는 “실내조명 발전은 조명으로 버려지는 전기에너지를 재활용하는 기술일 뿐만 아니라 태양광발전과 달리 장소, 날씨, 시간 제약이 없다는 장점이 있다”며 “개발된 일체화된 시스템 사용할 경우 실내조명으로 생산된 전기를 효율적으로 쓸 수 있을 것”이라고 기대했다. 송현곤 교수는 “간단한 전기화학적 자극만으로도 저장전극 물질의 동역학 성질을 개선해 배터리의 충전 효율을 증가시킨 것이 주효했다”며 “이 물질은 리튬이온배터리의 고속 충전 등에서도 응용될 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 ACS Energy Letters의 표지 논문(supplementary cover)으로 선정돼 출판될 예정이다. 연구 진행은 ㈜한국전력공사(KEPCO)와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다. ulsan@fnnews.com 최수상 기자

[파이낸셜뉴스] 일본 수입 의존도가 70%에 달하는 스마트폰 터치패널용 투명전극 소재를 국내 연구진이 새로운 방식의 공정기술로 개발해 소재 자립화가 기대된다. 한국생산기술연구원은 플렉시블 투명전극 소재로 각광받고 있는 전도성 고분자에 레이저를 쬐여 인듐 주석 산화물(ITO) 전극 수준만큼 전기 전도도를 높일 수 있는 공정기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 이번 성과는 기존 화학적 방식에서 벗어나 레이저를 활용한 물리적 처리 방식으로 ITO 박막 수준의 전도도를 구현해낸 세계 최초의 사례이다. 특히 이미 상용화돼 있는 PEDOT:PSS 용액과 1064㎚ 파장대의 레이저 장비를 활용하는 후처리 공정이기 때문에 구현이 간편하고 전극 제작비용도 저렴하다. 또한 PEDOT:PSS 용액은 국내 조달이 가능한 만큼 대일 의존도가 70%에 달하는 ITO 소재를 대체할 수 있어 투명전극 분야의 소재 자립화가 기대된다. 아울러 전도성 고분자 용액을 기판에 바른 후 레이저를 조사할 때 패터닝 작업까지 동시에 가능해 투명전극에 원하는 패턴을 새기면서도 쉽고 빠르게 제작할 수 있다. 생기원 나노·광융합기술그룹 윤창훈 박사는 "유기발광다이오드(OLED)에 레이저를 쏘면 발광도가 떨어지는 현상을 연구하던 중 유사물질인 전도성 고분자에 레이저를 조사했더니 예상과 달리 전기 저항이 떨어지는 현상을 발견하게 됐다"고 이번 연구의 계기를 설명했다. 윤 박사는 "개발된 공정기술은 플렉시블 디스플레이뿐 아니라 사용자 맞춤형 웨어러블 기기, 폴더블 태양광 패널 제작 등에도 폭 넓게 활용할 수 있다"고 말했다. 연구팀은 대표적 전도성 고분자인 'PEDOT:PSS' 투명전극에 1064㎚ 파장대의 적외선 레이저를 쬐면 전도도가 약 1000배가량 높아지는 물리적 현상을 발견하고 이를 공정에 적용했다. PEDOT:PSS 투명전극은 전도성이 있는 PEDOT을 PSS가 전선 피복처럼 둘러싸고 있는 실뭉치 형태의 고분자 박막으로, 전도도를 높이기 위해서는 PSS를 최대한 녹여 PEDOT끼리 서로 연결되도록 해야 한다. 이 용액에 1064㎚ 레이저를 쏠 경우 PEDOT이 열을 먼저 흡수해 온도가 올라가고, 이때 둘러싼 PSS가 전선 피복이 녹는 것처럼 녹으면서 PEDOT이 다량 노출돼 전도도가 높아지는 원리이다. 한편 이번 성과는 지난 9월 영국왕립화학회가 발행하는 재료 분야의 세계적 권위지 '머티리얼스 호라이즌스' 온라인 판에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

DGIST는 에너지공학전공 이강택 교수팀이 새로운 형태의 고성능 고체산화물 연료전지(SOFC)용 전극 소재를 개발했다고 30일 밝혔다. 이강택 교수팀의 연구는 산화-환원 주기(Redox Cycle) 속에서 산화반응이 안정적이고 효율적으로 일어날 수 있는 연료전지 전극 개발에 집중해 SOFC 성능 향상과 기술 상용화를 앞당길 수 있는 성과를 거뒀다. 고체산화물 연료전지는 수소 연료를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산한다. 이 연료전지는 반응 후 물만 배출돼 친환경적이고 설치장소 제약이 적어 중앙 전력공급망에 의존하지 않는 자가발전으로 전기를 생산하는 방식에 적합한 신재생에너지 기술로 각광받고 있다. 하지만 급작스러운 정지 및 연료공급 중단과 같은 상황에서 전기 생산 반응을 일으키는 전극의 급격한 성능저하 등의 문제로 안정성 확보에 어려움이 있었다. 이강택 교수팀은 SOFC 전극의 안정성 문제를 해결하고자 새로운 전극소재를 개발했다. 개발된 전극소재 내부에는 수소의 산화반응 효율성을 높이는 촉매인 니켈이 심어져 있다. 연료전지가 작동하면 전극 표면에 니켈이 자발적으로 외부로 이동해 나노금속촉매를 형성하는 현상이 발생한다. 이 니켈 촉매는 연료전지의 고효율 산화반응을 도와줘 연료전지의 안정성과 성능을 함께 향상시켰다. DGIST 에너지공학전공 이강택 교수는 “기존 SOFC의 전극 소재는 우수한 성능을 보이더라도 수소공급이 불안정해지면 급격히 성능이 저하되고, 본래의 성능을 회복하기 어려웠다”며, “자발적 나노금속촉매 용출 현상 제어를 통해 높은 성능과 함께 산화-환원에 대한 안정성을 개선한 전극 개발은 SOFC의 상용화를 선도하는 기술이 될 것”이라고 덧붙였다. 한편, 이번 연구 결과는 촉매 분야에서 권위있는 국제 학술지인 ‘에이시에스 카탈리시스’ 저널 온라인판에 2일 게재됐다. 또한 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업과 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업의 지원으로 진행됐으며, DGIST 에너지공학전공 김경준 박사과정 학생, 라스 마나사 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, DGIST 에너지공학전공 홍승태 교수팀, 포항공대 화학공학과 한정우 교수팀이 공동연구자로 참여했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

숙명여대 화공생명공학부 류원희 교수(사진) 연구팀이 가시덤불을 모사한 차세대 나트륨배터리용 고성능 나노전극소재를 개발했다. 16일 숙명여대에 따르면 이번 연구는 류 교수가 예일대학교 화공환경공학부 Andre D. Taylor 교수그룹에서 박사후연구원으로 재직 중 수행했으며, 세계환경기구 (The Nature Conservancy)에서 주관하는 네이처넷 사이언스 펠로우 (NatureNet Science Fellow) 프로그램의 지원을 받았다. 연구 결과는 미국화학회가 발간하는 나노과학분야 학술지 ACS나노 최신 온라인판에 2월 15일 발표됐으며 2월 16일자 예일대 공대 뉴스를 통해 주목받았다. 연구진에 따르면 리튬배터리는 스마트폰, 노트북 같은 휴대용 전자기기 뿐만 아니라 전기자동차, 전동기구와 같은 중대형 에너지저장시스템에 이르기까지 대표적인 2차전지로 사용된다. 최근 2차전지의 산업수요가 급증함에 따라 학계에서는 고가의 리튬원료 대신 바닷물 등에서 쉽게 추출할 수 있는 나트륨 원료로 대체하려는 노력이 이어졌지만 리튬이온에 비해 이온반경이 상대적으로 큰 나트륨이온은 전극물질 내로 삽입과 탈리가 어려워 배터리 성능이 크게 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 류 교수와 Andre D. Taylor 교수그룹은 나노가시덤불을 모사한 황화텅스텐-황화산화물 복합소재를 개발해 나트륨배터리의 안정성과 수명 등 성능을 크게 향상시켰다. jiany@fnnews.com 연지안 기자

【 대전=김원준 기자】 스마트폰 등 터치패널에 사용되는 인듐주석산화물(ITO·Indium Tin Oxide)을 대신할 수 있는 대체소재를 이용한 투명전극 필름 관련 기술개발이 활기를 띠고 있다. 11일 특허청에 따르면 ITO 대체소재들을 투명전극 필름의 소재로 이용하는 기술 관련 특허출원은 지난 2010년 37건에서 2014년 92건으로 최근 5년간 연평균 26.4%의 높은 증가율을 보이고 있다. 현재 터치패널용 투명전극 필름의 주요 소재인 ITO는 주재료 인듐의 매장량 제한으로 가격이 비싸고 유연성이 떨어진다는 것이 단점으로 지적되고 있다. 이에 따라 ITO의 단점을 극복할 수 있는 금속나노와이어, 그래핀, 탄소나노튜브 등을 대체소재로 투명전극 필름을 제조하는 방법에 대한 관심이 높아지면서 관련 특허출원이 증가하고 있는 것으로 분석된다. 출원인별 현황에서는 국내 대기업(27.3%)과 중소기업(24.0%) 및 대학 등 산학협력단(24.0%)이 특허 출원을 주도하고 있는 것으로 나타나, 국내 기업들은 대체소재들을 투명전극필름의 소재로 이용하기 위한 기술 확보에 적극 나서는 분위기다. 소재별 특허 출원비중을 보면 금속 나노와이어가 41.6%, 전도성 고분자가 16.1%, 그래핀이 15.2%, 탄소나노튜브가 14.4%로 나타났고, 둘 이상의 대체소재들을 혼합, 전극을 제조한 혼합형은 12.6%의 출원 비중을 보였다. 금속나노와이어는 낮은 비용으로 제조가 가능하고 터치패널용 투명전극 필름이 요구하는 일정 수준 이상의 광투과도나 전도도를 비교적 쉽게 구현할 수 있어 다른 소재들에 비해 높은 출원 비중을 보였다. 반면 그래핀과 탄소나노튜브는 공정이 다소 까다롭고, 전도성 고분자는 전도도나 광투과도에서 취약한 것이 단점으로 작용해 출원이 다소 저조한 것으로 분석된다. 혼합형은 금속나노와이어를 제외한 다른 소재들과 비슷한 출원 비중을 보여, 대체소재들의 단점을 보완하기 위한 방법으로 주목받고 있는 것으로 나타났다. 앞으로 스마트폰용 터치패널의 시장규모는 중국, 인도 등 신흥국의 시장규모를 감안하면 수요가 지속적으로 확대될 전망이다. 반면 ITO의 주재료인 인듐자원은 전체 매장량의 70% 이상이 중국에 집중돼 있고 매장량도 제한돼 수년 내 고갈될 것이라는 예측까지 나오고 있다. 이에 따라 ITO 필름에 대한 안정적 수급 및 가격에 대한 부담도 커지고 있는 상황이어서 대체소재를 활용한 투명전극 필름에 대한 기술개발은 앞으로도 더 활발해질 것으로 전망되고 있다. 특허청 관계자는 "투명전극에 사용되는 ITO를 대체할 새로운 소재의 상용화가 절실한 상황에서 대체소재들의 취약점을 보완할 수 있는 다양한 기법을 개발할 필요가 있고 대체소재들을 이용한 투명전극 관련 특허를 충분히 확보할 필요가 있다"고 말했다. kwj5797@fnnews.com

미래 친환경 에너지원인 고체산화물연료전지(SOFC)의 성능을 2배 이상 높인 새로운 전극 소재 개발에 성공한 국제 공동연구팀의 김건태 울산과학기술대학(UNIST·오른쪽)교수와 신지영 동의대 교수가 전극 소재에 대해 설명하고 있다.

방위사업청은 국방과학연구소(ADD) 조성백 박사와 서울대 재료공학부 강기석 교수, 카이스트(KAIST) 신소재공학과 박찬범 교수로 구성된 공동 연구팀이 차세대 리튬 이차전지용 전극소재의 원천기술 개발에 성공했다고 24일 밝혔다. 지금까지 리튬 이차전지의 양극소재는 전지 고용량화에 한계가 있고 전지 생산 및 재활용 때 환경오염을 유발한다는 문제점이 있었다. 이에 따라 연구팀은 생체 유래 유기소재를 나노구조체로 합성해 친환경 리튬이차전지기술을 개발했다. 복잡한 합성과정 없이 탄소나노튜브 표면에 생체 유래 유기소재를 나노 크기로 재배열하는 방법을 통해 리튬이차전지의 출력 및 수명을 크게 향상시켰다는 설명이다. 강기석 교수는 "무겁고 독성이 있는 전이금속 대신 생체 유래 물질을 나노구조체로 합성해 고에너지를 빠르게 저장할 수 있다는 것을 확인했다"며 "향후 모든 전극이 생체 유래 유기소재로 구성된 소위 '바이오 배터리'도 가능할 것으로 보인다"고 말했다. 이번 연구는 ADD의 '생체 기반 군사용 리튬이차전지 전극 소재 개발' 과제로 진행됐다. ADD의 조성백 박사는 "기존 전지에 비해 안전성 및 용량이 우수하고 유연한 전지를 제작할 수 있어 미래 병사용 전원으로 활용 가능성이 높다"고 설명했다. 이번 연구결과는 재료 및 응용분야의 세계 최고권위지인 '어드밴스드 머티리얼스' 최신호의 후면 표지논문으로 선정되기도 했다. blue73@fnnews.com 윤경현 기자

상보는 한국전자부품연구원으로부터 나노소재 기반 투명전극 원천기술을 이전 받았다고 16일 밝혔다. 이번에 이전 받은 것은 감광성 은나노와이어 탄소나노튜브(AgNW/CNT) 하이브리드 투명전극 및 무에칭 패턴형성 기술이다. 이는 기존 투명전극 패턴공정에 비해 필요 공정수를 획기적으로 줄이는 동시에 에칭공정 없이 미세 회로패턴을 형성할 수 있는 나노소재 기반 신개념 투명전극 원천 기술이다. 은나노와이어와 탄소나노튜브 기술의 장점을 동시에 갖고 있는 것이 특징이다. 상보 관계자는 "이번 기술이전으로 대면적이 가능하고 유연성이 우수한 투명전극을 구현하고 간소화된 친환경 패턴형성 기술로 공정비용을 줄이고 가격 경쟁력까지 확보했다"고 말했다. skjung@fnnews.com 정상균 기자

울산과학기술대학(UNIST) 교수가 포함된 국제 공동연구진이 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 전극소재를 개발해 향후 고체산화물 연료전지 상용화를 위한 발판이 될 것으로 기대된다. 22일 UNIST 친환경에너지공학부 김건태 교수에 따르면 미국 조지아공대 메일린 류(Meilin Liu) 교수, 동의대 신지영 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구 결과가 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports)에 논문명(Highly efficient and robust cathode materials for low-temperature solid oxide fuel cells : PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ)으로 13일자에 게재됐다. 고체산화물 연료전지의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 전극소재를 개발에 성공한 국제연구팀의 일원인 UNIST 친환경에너지공학부 김건태 교수.(사진 앞줄 좌측) 특히 이번 연구는 교육부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의연구중심대학(WCU) 육성사업 등의 지원으로 수행됐다. 고체산화물 연료전지는 구성물질이 모두 고체여서 구조가 간단하고 소재가 상대적으로 저렴한 데다 전해질 손실로 인한 충전의 번거로움이나 부식의 우려가 적고 연료의 연소과정이 없어 유독물질이 배출되지 않는데다 에너지 효율도 50% 이상으로 높은 장점이 있다 그러나 800℃~ 1000℃의 고온에서 작동하기 때문에 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야 하는 데다 고온으로 장시간 사용시 내구성이 저하되는 단점 때문에 보다 낮은 온도에서 작동하면서 전지의 성능은 저하되지 않는 물질을 개발하는 것이 관건이었다. 이에 연구팀은 기존보다 300℃ 가량 낮은 500~700oC에서도 출력밀도와 내구성이 뛰어난 이중층 페로브스카이트 전극을 개발했다. 원소와 원자반경이 작은 전이금속인 전극은 산소이온으로 된 8면체 물질로 페로브스카이트에서 이온반경이 큰 원자를 일부 치환해 원자크기의 차이를 만들어 층을 만든 물질로 산소이동도와 표면특성이 우수하다. 특히 연구팀이 개발한 물질의 구조상 만들어지는 기공채널을 통해 산소 이온이 지그재그 유형으로 빠르게 확산할 수 있어 산소 환원반응이 원활해진다는 것이 김 교수의 설명이다. 김 교수는 "성능이 높으면서도 안정적인 연료전지 전극소재 개발의 단서를 제공함으로써 친환경 고체산화물 연료전지 개발에 응용될 경우 국내외 연료전지 상용화에 기여할 수 있을 것" 이라고 밝혔다. kky060@fnnews.com 김기열 기자