Technology Brief - 갈길 먼 에어로젤 수퍼 단열재 외
갈길 먼 에어로젤
수퍼 단열재
에어로젤(Aerogel)은 이름에서 알 수 있듯이 대부분이 기공으로 구성되어 있는, 공기처럼 가벼운 고체이다.
이 초다공성 물질은 특유의 나노기공 구조를 지니고 있어 어떤 소재보다도 열전도도가 낮은 것으로 기네스북에도 등재되어 있다.
현재 고유가 상황과 온실가스 감축요구가 거세지면서 에너지 절약을 위한 고효율 단열재의 중요성이 부각되어 에어로젤에 대한 관심이 높아지고 있다.
에어로젤은 솔-젤(Sol-Gel) 공정을 통하여 젤을 합성하고 수축을 최소화하면서, 젤에 함유된 용매를 제거함으로써 원래의 젤 구조를 거의 그대로 유지하도록 만든다.
일반적으로 고가의 알콕사이드(Alkoxide)를 원료로 하고 고압의 초임계 건조공정으로 용매를 제거하므로, 에어로젤의 생산비용은 높을 수밖에 없었다.
최근에는 물유리와 같은 값싼 원료를 사용하고 화학처리에 의한 일반건조 방법을 도입하여 어느 정도까지 생산비용을 낮추고는 있으나 이때 발생하는 폐기물 처리 비용과 화학물질의 추가사용 비용을 고려하면 큰 개선을 기대하기는 어려운 상태다.
따라서 일반 범용 단열재의 대용품으로 에어로젤을 개발하기보다는, 가격은 높더라도 단열 성능의 획기적인 개선효과를 통해 새로운 적용점을 찾는 것이 유리하다.
일반적으로 실리카 에어로젤이 단열재로 사용되고 있는데, 상용화의 대표 주자는 미국의 Cabot사와 Aspen Aerogels사이다.
Cabot사가 Nanogel이라는 이름으로 공급하는 반투명입자 형태의 실리카 에어로젤은 건축물 반투명창에 활용되고 있고 미국과 유럽을 중심으로 시공 사례가 확대되고 있다.
Aspen Aerogel사는 실리카 에어로젤을 지지체에 담지시켜 Blanket 형태로 만들어 화학공장의 탱크, 파이프 등의 단열을 위하여 활용하고 있으며 최근에는 이를 다른 산업현장이나 건축물에 활용하고자 노력하고 있다.
이 두 기업을 중심으로 실리카 에어로젤의 적용 범위 확대 노력이 계속되고 있으나 획기적인 전기는 아직 보이지 않는 실정이다.
실리카 에어로젤은 투명성을 보이면서도 단열성을 가지는 유일한 소재이므로 그 적용가능성은 여전히 높은 상태이다.
그러나 에어로젤이 단열재로 보다 널리 사용되기 위해서는 우수한 단열성을 크게 떨어뜨리지 않는 상태에서 적용분야에 적합한 형태로 개발되어야 한다.
무엇보다 용도에 맞는 제품개발이 우선되어야 하며, 막연한 기대는 버려야한다.
서동진 한국과학기술연구원
책임연구원
주목받는 멤브레인
수처리 기술
지구표면의 70%는 물이지만 실질적으로 먹을 수 있는 물은 1% 미만이며 그나마도 기후변화와 수질오염으로 인하여 물 부족이 심각한 상황이다.
UN이 2025년 세계 인구의 절반 이상이 물 부족으로 고통받게 될 것이라고 경고하듯이 향후 인구 증가, 식생활 변화, 산업화,
도시화에 따라 물 부족사태는 더욱 심각해질 전망이다.
이러한 환경에서 사용한 물의 재이용과 해수의 담수화가 새로운 물의 공급방안으로 떠오르고 있으며 그 중심에는 멤브레인(Membrane)을 이용한 수처리 기술이 있다.
멤브레인은 특정성분을 선택적으로 통과시켜서 혼합물을 걸러내는 반투과성 막을 뜻하며 기공의 크기에 따라 0.1 ~ 10 마이크론의 정밀여과(MF; Microfiltration)막, 0.003 ~ 0.1 마이크론의 한외여과(UF; Ultrafiltration)막, 0.001 마이크론의 나노여과(NF; Nanofiltration)막, 0.0001 마이크론의 역삼투(RO; Reverse Osmosis)막으로 나뉜다.
처리할 원수의 특성과 목적에 따라 사용하는 막이 다른데, 고상물질이나 박테리아의 제거는 MF막이 사용되지만 모든 불순물과 이온까지 제거하여 초순수나 해수담수를 위해서는 RO막이 사용된다.
멤브레인은 19세기부터 연구가 시작되었고 RO막이 2차대전 당시 미국 해군에서 해수담수화에 사용하는 등 개발의 역사가 길지만 높은 제품가격과 과도한 전기소모량 등으로 경제성의 확보가 쉽지 않은 상황이었다.
그러나 멤브레인 제조기술의 발달로 이러한 문제들이 해결되어 가면서 멤브레인 수처리 기술은 가장 유망한 기술로 자리 잡아 가고 있다.
멤브레인 수처리는 기존 수처리 방식의 화학약품 사용을 줄이고 좁은 면적에서도 많은 양을 처리할 수 있으며 새로운 오염원의 제거가 가능한 장점이 있다.
역삼투막 이용 해수담수화 방식은 기존의 증발법을 대체하여 2005년 39%에서 2015년에는 57%까지 차지할 것으로 예상된다.
그동안 멤브레인 수처리는 많은 발전이 있었으나 아직도 가격경쟁력 확보라는 전제하에서 투과도와 선택도에 의해 결정되는 성능 향상과 막 오염 방지가 기술적인 과제이다.
현재 멤브레인 수처리 시장은 미국의 다우케미컬, 일본의 도레이와 니토덴코가 장악하고 있지만 국내기업도 기술적인 차별화와 다른 산업에의 응용 전략을 병행하여 활발히 경쟁하고 있다.
최근 한 지자체에서의 적극 육성의지 표명과 2012 IWA(International Water Association) 세계 물 회의에서의 국내기업의 전시는 주목할 만하다.
서동진 한국과학기술연구원
책임연구원
에너지 부족 대안으로
떠오른 열전기술
열전(Thermoelectric)이란 열과 전기 사이의 에너지 변환을 의미하며, 열전 특성을 나타내는 재료를 열전재료 또는 열전변환재료라고 한다.
온도를 측정하는 열전대가 가장 널리 알려져 있는 열전재료이다.
열전재료를 이용하는 열전기술은 원료가격이 비싸고 효율이 낮다는 이유로 종래에는 반도체 칩 냉각, 군용이나 우주선용의 전원 공급 장치 등의 특수용도로만 활용되어 왔으나,
최근 수차례의 유류파동에 의한 에너지 비용 상승과 지구 온난화 문제 등이 대두하면서 정밀제어에 의한 에너지 절감이 가능하다는 점과 산업 폐열, 지열, 자동차 폐열 등을 활용하여 전기를 얻을 수 있다는 점에서 전 세계적으로 큰 관심을 받고 있다.
열전기술은 열전냉각과 열전발전 기술로 구분한다.
열전냉각은 열전재료에 전기를 흘리면 재료의 양쪽에 온도 차가 발생하는 현상인 펠티어(Peltier) 효과를 이론적인 근거로 하는 기술로,
현재 컴퓨터의 CPU 냉각이나 통신용 장비의 냉각용으로 널리 사용하고 있으며, 냉정수기용, 화장품이나 포도주의 저온 항온 보관용 또는 자동차 시트의 온도제어용 등으로 그 응용 영역이 넓어지고 있다.
온도 조절의 편차가 작고 국소 냉각 능력이 우수하다는 점은 다른 냉각기술로는 얻을 수 없는 열전냉각의 특징이다.
열전발전기술은 열전재료의 양쪽에 온도 차가 있을 때 열의 흐름에 의해 직접 전기가 발생하는 특성을 이용하는 기술로 이 열전효과를 제벡(Seebeck) 효과라 한다.
미국의 토성 탐사선인 카시니를 비롯한 다수의 우주선에는 원자력이나 방사성 동위원소를 열원으로 하는 열전발전기가 장착되어 있다.
1977년 발사되었던 보이져 2호는 원자력을 열원으로 하는 열전발전기가 장착되었으며 2012년 현재 목성을 비롯한 태양계의 행성을 탐사하고 태양계의 끝부분인 자기권에 도달하였고, 파손이 되지 않는다면 2025년 정도까지 우주정보를 송출할 수 있다고 한다.
현재 실용화된 열전냉각 재료로는 Bi-Te계 재료, 중온역에서의 열전발전 재료로는 Pb-Te계 재료가 있는데, 1990년대 후반부터 나노기술이 접목되면서 성능지수(ZT)가 2이상으로 종래성능 보다 3 ~ 4배 정도로 향상된 재료에 대한 보고가 잇따르고 있다.
현재 Pb계 재료를 대체할 수 있는 재료로 각광을 받고 있는 열전발전 재료는 Co-Sb계 재료인 Skutterudite와 Silicide계 재료이며 Zn-Sb계도 중요한 후보군으로 많은 연구가 이루어지고 있다.
우리나라에서도 한국전기연구원을 중심으로 열전재료 및 열전발전 시스템을 연구하고 있으며, 세계최초로 발전소 열을 이용한 5kW급과 소각로를 이용한 10kW급 열전발전기를 개발하였고, 세계 상위권의 성능지수를 가진 Ag-Sb-Te계 및 Zn-Sb계 열전재료 개발에 성공하였다.
미국이나 독일을 비롯한 열전기술 선진국의 연구투자나 기술개발 계획에 의하면 2020년 이전에 실생활에서 고효율의 열전기술을 접할 수 있으며, 그 결과 에너지 소비가 줄어들고 지구 환경문제에도 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것이다.
이희웅 전기연구원
창의원천연구본부 책임연구원
희토류 없는 OLED소자
개발 길 열려
희토류 금속을 사용하지 않고도 높은 발광효율을 갖는 새로운 OLED소자 개발 가능성이 점점 현실화되고 있다.
일본 큐슈대학 최선단유기광일렉트로닉스 연구센터(OPERA) 연구팀은 디스플레이나 조명 등에 사용할 수 있는 새로운 OLED발광재료를 개발했다고 발표했다.
이 재료는 분자설계를 통해 전자의 광변환 효율을 100%에 가깝도록 끌어올린 것이 특징이다.
‘하이퍼 플로우런스(hyperfluorescence)’로 이름 붙여진 이 재료는 저비용, 고발광효율이 가능하고 분자설계의 자유도를 최대한 살린 차세대 OLED 발광재료로 비상한 관심을 모으고 있다.
지금까지 고효율 발광효과를 얻기 위해서는 실온에서 강한 인광 발광을 가지는 유기금속 화합물을 발광재료로 이용해야만 했다.
그런데 이들 발광재료는 희소원소인 Ir이나 Pt를 포함한다는 점과 청색 발광재료의 안정성에 문제를 가지고 있어, 새로운 개념의 EL 발광 기구 개발의 필요성이 지속적으로 제기되어 왔다.
큐슈대학 연구팀은 1중항과 3중항 여기 에너지의 차이가 매우 작은 분자를 설계함으로써 3중항 여기자를 1중항 여기상태로 업컨버전시켜(열활성화 지연형광 현상, TADF : Thermally Activated Delayed Fluorescence),
여기 1중항 상태로부터 고효율 EL 발광 실현을 목표로 연구를 진행해왔으며, 2009년부터 꾸준하게 성과를 보여왔다.
특히 이번에는 각종 전자공여성(도너)과 전자수용성(억셉터) 치환기를 함유하는 신규 화합물을 설계 및 합성하고, 1중항과 3중항의 작은 에너지 차이를 유지하면서 내부 EL 발광효율이 거의 100%를 나타내는 새로운 발광분자 (CDCB)를 만드는 성과를 거뒀다.
그리고 CDCB를 발광층으로 가지는 OLED 소자에서 외부발광효율 19.3%라는 매우 높은 EL 양자효율을 얻을 수 있었다.
이것은 전류 여기 하에서 생성된 3중항 여기자가 매우 높은 효율로 1중항 여기자로 변환되어 EL 발광에 이르고 있다는 것을 시사한다.
이번 연구성과는 희귀 금속을 함유하는 유기금속 발광재료를 사용하지 않아도 100%의 내부 EL 발광효율의 실현이 가능하다는 것을 확인한 것으로 매우 큰 의미가 있다는 것이 연구팀의 설명이다.
따라서 앞으로 OLED 소자용 발광재료가 형광, 인광에 이어 제3세대 TADF 재료로 전이해 나가게 될 것이라는 것을 시사하는 결과로 평가된다.
한편, 이 성과는 Nature 온라인판에 12월 13일자로 게재되었다. 논문 제목은 [Highly Efficient Organic Light-Emitting Diodes by Delayed Fluorescence]과 같다.
기술과경영 편집실