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기술동향

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  • [기술동향] 어느 곳이 좋은 물일까, 좋은물 분포지도 나왔다

    국내 연구팀이 물의 과학적 특성 평가와 좋은물 수원 연구를 통해 우리나라 u2018좋은물 분포지도u2019를 구축했다. ? 한국지질자원연구원 기후변화대응본부 지하수환경연구센터 고경석 박사 연구팀은 지질학적 기원과 좋은물과의 상관성을 밝히고, 지하수 수원별 수질특성에 따른 좋은물의 다양한 활용을 위해 2017년부터 연구를 시작했다.? ? 자연 상태에서 물의 기본적인 특성을 좌우하는 것은 바로 지질이다. 화강암·화산암 지역은 경도가 낮고 미네랄 함량이 적은 반면, 퇴적암·석회암 지대는 경도가 높고 미네랄 함량이 높다.? ? 연구팀은 전국의 주요 천연광천수의 수질 유형 분류와 분포 특성 평가를 통해 다양한 지질 분포 특성과의 상관성을 밝혔다. 그 결과, 이산화탄소가 풍부한 탄산수나 수온이 높은 온천수 수원의 분포는 단층과 화강암 경계대에서 나타났다. 또 암상·지열 및 용존 이산화탄소가 천연광천수 발생의 주요 인자임을 확인했다. ? 이러한 지질 기원과 좋은 물과의 상관성을 바탕으로 연구팀은 좋은물의 성분을 분석하고 유망지를 찾아내는 연구를 수행했다. 특히 세계최고 수준으로 평가되는 유럽 생수의 수질 분석보다 높은 수준의 정밀 분석자료를 바탕으로 국내 약 1000개소 이상의 좋은물 DB를 구축, 수원 분포지도를 제작했으며 앞으로 2500개소까지 확대할 계획이다. ? 연구를 이끈 고경석 박사는 "좋은물 수원에 대한 과학적 연구를 통해 좋은물의 주요 미네랄, 극미량 성분 분석, 수원의 생성 원리와 잠재적 독성 등 건강 위해성을 평가해 일반 국민들이 다양하게 활용할 수 있는 방법들을 모색했다"고 말했다. ? 과학적 수원 평가 자료와 좋은 물의 다양한 정보는 지오빅데이터 오픈플랫폼(https://data.kigam.re.kr/mgeo)에서 확인할 수 있다. 전국 지하수의 수질분포 현황뿐만 아니라 수원지에 대한 세부 특성도 알 수 있다. ? ?

  • [기술동향] 쏟아지는 리튬 배터리 쓰레기\u2026 재활용 해결책은?

    과유불급(過猶不及). 지나친 것은 미치지 못한 것과 같다는 의미의 고사성어다. 지금 전 세계에서 사용되고 있는 충전용 배터리의 대부분을 차지하고 있는 리튬이온배터리가 바로 이 고사성어와 같은 상황으로 빠져들고 있어 우려를 낳고 있다. ? 불과 얼마 전까지만 하더라도 4차산업혁명을 이끌 원동력으로 주목받던 에너지저장기기가 바로 리튬이온배터리다. 리튬이온배터리는 리튬을 소재로 만들어진 배터리로, 이전까지 사용했던 니켈수소배터리에 비해 가볍고, 용량이 크다는 장점을 갖고 있어 디지털기기나 전기차에 사용되고 있다. ? 그런데 그 사용량이 기하급수적으로 늘어나다 보니, 이제는 버려지는 리튬이온배터리들의 처리문제를 걱정해야 하는 시기가 됐다. 실제로 환경보호단체인 그린피스는 오는 2030년경이 되면 전 세계에서 약 1200만 톤의 폐배터리가 쏟아져 나올 것으로 예상한 바 있다. ? 그림 1. 전기차의 상용화가 본격화되면서 리튬이온배터리의 사용량이 기하급수적으로 늘어나 2030년경이 되면 폐배터리가 쏟아져 나올 것으로 예상된다. (출처: Shutterstock) ? 이처럼 리튬이온배터리 제조와 관련하여 부정적 전망이 나오게 되자 최근 들어서는 선진국을 중심으로 하여 사용 연한이 끝난 폐리튬이온배터리의 처리방안을 모색하는 연구가 진행되고 있어 관심을 모으고 있다. ? ? 2030년경 폐리튬이온배터리 대거 발생 전망 일반적으로 전기차에 사용되는 리튬이온배터리는 8~10년 정도 지나면 충전량이 현격히 줄어들어 폐배터리로 분류된다. 따라서 지난 2010년대 중반 즈음에 하이브리드카와 전기차의 상용화가 본격화된 만큼, 2025년을 전후로 하여 폐리튬이온배터리가 쏟아져 나올 것으로 예측되고 있다. ? 문제는 이렇게 쏟아져 나오는 리튬이온배터리의 재활용이 대단히 어렵다는 점이다. 폐배터리를 재활용하려면 일단 분해를 해야 하는데, 폭발하기 쉬운 물질이 함유되어 있다 보니 상당히 조심스럽게 작업해야 하기에 분해 비용이 많이 소요되는 것으로 알려져 있다. ? 특히 고가의 분해 비용으로 인해 재활용 배터리를 생산하는 것보다 새 배터리를 제조하는 것이 더 저렴한 만큼, 버려진 리튬이온배터리 중에서 재활용되는 것은 약 5%에 불과한 것이 현실이다. ? 이 외에도 폐리튬이온배터리는 환경에 치명적이다. 리튬이온배터리에는 리튬과 산화코발트, 그리고 망간 및 니켈 등의 성분이 포함되어 있는데, 국립환경과학원은 이들 성분을 u2018유독물질u2019로 지정하고 있다. ? 따라서 폐리튬이온배터리를 별도의 처리 과정 없이 그냥 땅에 매립할 경우, 폐배터리에서 나온 전해액과 전극에 사용한 중금속이 토양과 지하수를 오염시킬 수 있다. 또한 소각해도 유해 물질이 배출되고, 채굴 과정에서도 톤당 약 227만L에 달하는 엄청난 양의 물이 필요하므로 친환경적 제품은 아닌 것이 분명하다. ? ? 초음파 및 유기물 등을 활용한 다양한 분해 방식 연구 그렇다면 폐리튬이온배터리의 재활용을 위한 연구개발은 어느 정도까지 진척되었을까? 폐배터리 재활용 연구와 관련해서는 유럽의 영국과 독일이 가장 앞서나가고 있는 것으로 알려져 있다. ? 영국 패러데이연구소의 경우 저렴하면서도 안전한 폐리튬이온배터리 분해를 위해 초음파를 활용하고 있다. 연구소가 발표한 내용을 살펴보면 폐리튬이온배터리 표면에 초음파를 집중시켜 작은 기포를 만든 다음, 이를 통해 표면을 덮고 있는 코팅을 파괴하는 방식인 것으로 나타났다.? ? 그림 2. 영국 패러데이연구소는 초음파를 이용해 폐리튬이온배터리를 분해하는 방법을 개발했다. (출처: Faraday institution)? ? 이 같은 재활용 방식은 기존의 습식제련 분해 방식보다 더 저렴하면서도 더 많은 양을 처리할 수 있다는 것이 연구진의 설명이다. 또한 에너지저장장치(ESS)처럼 거대 규모의 배터리에도 적용할 수 있는 확장성까지 갖추고 있다. ? 독일의 프라운호퍼연구소 역시 패러데이연구소와 비슷하게 초음파를 이용하여 폐배터리를 분해하는 연구를 진행하고 있다. 차이점이라면 셀의 개별 구성요소를 분리하는 과정에서 초음파를 충격파로 활용한다는 점이다. 이 방식은 리튬이온배터리를 포함해 모든 리튬 기반의 고체 배터리에 적용할 수 있다는 것이 프라운호퍼 연구소 측의 설명이다. ? 반면에 영국이나 독일의 연구소들과는 달리 미국은 유기물을 활용한 친환경적 폐배터리 분해 방법을 연구하고 있어 눈길을 끌고 있다. 텍사스 A&M대의 연구진은 리튬이온배터리 제조에 유기물을 적용하여 분해가 가능한 폐배터리를 개발하고 있다.?현재 유통되고 있는 리튬이온배터리는 분해가 되어도 남는 폐기물이 상당히 많지만, 유기물이 적용된 리튬이온배터리는 소재 대부분이 분해되기 때문에 재활용이 보다 쉬워진다는 것이 연구진의 의견이다. ? 그림 3. 미국 텍사스 A&M대 연구팀은 단백질의 구성요소인 폴리펩티드를 사용한 유기 배터리를 개발하고 있다. 이 배터리는 산성 조건에서 아미노산 등으로 쉽게 분해 가능하다. (출처: Nature) ? ? 시작은 유럽이나 미국에 비해 다소 늦었지만 국내에서도 폐배터리를 재활용하는 다양한 연구가 추진되고 있다. 대표적으로는 폐배터리에서 리튬을 u2018수산화 리튬 형태u2019로 추출한 후, 다른 주요 물질인 니켈과 코발트 등을 추출하는 SK이노베이션의 사례를 꼽을 수 있다. 기존의 폐배터리에서 재활용할 수 있는 성분만 뽑아내 새로운 배터리에 투입하는 것이 핵심이다. ? 한편 국내외에서 충전용 배터리를 연구하고 있는 연구소들은 보다 근본적인 배터리 연구에 몰두하고 있다. 리튬이온배터리가 가진 안전성 및 경제성의 한계를 극복하기 위해 새로운 소재를 기반으로 하는 배터리를 개발하고 있는 것이다. ? 상용화까지는 아직 가야 할 길이 많이 남았지만, 바나듐이나 나트륨 같은 소재를 활용한 충전용 배터리가 연구되고 있어 이목이 집중되고 있다. ? ? ? 글: 김준래 과학칼럼니스트/ 일러스트: 유진성 작가 ?

  • [기술동향] 무독성 태양전지를 향한 첫 단계

    미국 워싱턴 대학(Washington University in St. Louis), 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory), 호주 국립대학(Australian National University)의 연구진은 데이터 분석 및 양자 역학적 계산을 통해서 새로운 이중 페로브스카이트 산화물(dual perovskite oxide)을 개발했다.

    미국의 태양광 패널 설치는 증가하고 있고, 2019년 초에 2백만 건 이상의 신규 설치가 이루어지고 있는데, 이것은 지난 1 분기 중에서 가장 높은 수치이다. 가장 널리 사용되는 것은 실리콘 기반의 태양전지이다. 지난 10년 동안에 납 할로겐화 페로브스카이트가 대체 물질로 급성장하고 있다. 그러나 이 소재는 불안정하고 납과 같은 독성 물질을 함유해서 건강 및 지하수 오염 등과 같은 환경적 위험을 초래할 수 있다.

    이번 연구진은 칼륨, 바륨, 텔루르(tellurium), 비스무트, 산소로 구성된 새로운 반도체(KBaTeBiO6)를 발견했다. 납이 없는 이중 페로브스카이트 산화물은 30,000개의 비스무스 기반의 산화물 중의 하나이다. 30,000 개의 산화물 중에 단지 25개만이 잘 알려진 화합물이다. 이번 연구에서는 KBaTeBiO6가 30,000 개의 잠재적인 산화물 중에서 가장 유망한 것으로 나타났다.

    이번에 개발된 소재가 가장 안정한 화합물인 것으로 밝혀졌지만, 더 중요한 것은 대부분의 산화물이 큰 밴드갭을 가졌는데 반해서 새로운 화합물은 낮은 밴드갭을 가진다는 것이다. 밴드갭은 자유 캐리어를 형성하기 위해서 전자가 극복해야 하는 에너지 장벽이다. 이런 장벽을 극복할 수 있는 에너지는 햇빛에 의해서 제공된다. 태양전지 분야에서 가장 유망한 화합물은 약 1.5 eV의 밴드갭을 가진 것이다.

    개발된 화합물은 안정적이며 1.88 eV의 밴드갭을 가졌다. 이것은 밴드갭을 미세 조정한 1 세대 태양전지일 뿐만 아니라 무독성 태양전지를 향한 첫 발걸음이다.

    이번 연구진은 납-할로겐화 페로브스카이트를 구현할 수 있다는 것을 보여주었다. 이것은 태양전지뿐만 아니라 LCD 디스플레이와 같은 반도체 분야에도 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 다음 연구 목표는 이 새로운 반도체 속의 결함 역할을 조사하고, 에어로졸 등과 같은 다른 진보된 합성 기술을 접목시키는 것이 될 것이다.

  • [기술동향] 농촌지역 에너지이용 합리화에 4억불을 지원하는 미국

    미국 농무부(Department of Agriculture)는 농촌 중소기업의 에너지비용 절감을 돕기 위해 대출 보증을 제공하는 USDA 프로그램에 농민, 농촌 중소기업, 농업 생산업자들이 자금조달을 신청하도록 권장하고 있다.

    미 농무부 측은 USDA의 REAP(Rural Energy for America Program)은 농촌 경제를 강화하고 성장시키는데 중요한 도구라고 밝혔다. 미 농무부는 일년 내내 REAP 자금지원 신청을 받고 있다. 지원을 희망하는 경우 추가정보를 위해 해당 주 내 USDA의 Rural Development office에 문의하면 된다.

    REAP 기금은 혐기성 소화기(anaerobic digester), 바이오매스, 지열, 수력 발전기, 풍력 및 태양광 발전과 같은 재생에너지 시스템에 사용될 수 있다. 또한 난방, 환기 및 냉각 시스템, 단열, 조명 및 냉장 등의 에너지 효율개선을 위해 사용할 수 있다. 다음은 USDA가 시행한 REAP 투자의 몇 가지 예들이다.

    • Kentucky 주 Oakland의 농업관광센터인 Edgehill Farms는 미화 34,596 불의 융자보증서를 받아 햄 가공시설 옥상에 34.8 kW급 태양광발전 시스템을 설치했다. 이 시스템은 연간 약 45,000 kWh의 전력을 생산하여 지역 발전회사에 직접 판매되며 이 회사는 연간 4,448 불의 수입을 얻게  된다.

    • North Carolina 주 Magnolia에서 Optima KV사는 혐기성 소화기 설치에 미화 650만 불의 융 보증을 받았는데 이를 통해 육돈업자들이 폐기물을 에너지로 전환하여 처리하는데 도움을 줄 것이다. 그 프로젝트를 통해 여러 개의 바이오가스 흐름이 한 곳의 정제장으로 모인다. 생산된천연가스는 발전을 위해 파이프라인을 통해 발전소로 운반된다. 혐기성 소화기는 육돈업자의 추가수입을 창출하고 더 깨끗한 환경을 만들고 있다.

    2017년 4월 트럼프 대통령은 농업과 농어촌 번영에 관한 부처간 태스크포스를 만들어 농업과 농촌 번영을 촉진하기 위해 어떤 입법, 규제 및 정책변화가 필요한지를 파악했다. 2018년 1월 George Perdue 농무장관은 트럼프 대통령에게 태스크포스의 조사결과를 제시했다. 이 연구결과는 31개의 권고안을 포함, 미국 시골지역에 존재하는 기회를 활용하기 위해 연방정부를 주, 지방정부와 연계시켰다. 농촌 노동인력에 대해 지원하는 것은 태스크포스의 권고 중 근본적인 권고였다.

  • [기술동향] 이산화탄소의 암석화를 통한 공기 질 제고

    아이슬란드는 최근 이산화탄소를 암석으로 바꿔 지구 온난화의 원인으로 작용하는 유해공기를 정화시키는 기술을 도입했다. 이 기술은 수 천년에 걸쳐 자연 발생하는 과정을 압축 모방하여, 이산화탄소를 다공성 현무암에 주입하여 영구적으로 가둬둔다. 지질학자인 Sandra Osk Snaebjornsdottir는 "동 기술을 통해 시간 척도를 극적으로 변화시켰다"고 설명했다. 아이슬란드에서 이산화탄소는 운송기기, 공장 및 화산 등에서 대량으로 배출되는 온실 가스 중 하나다. 기후 변화에 관한 유엔 정부간 패널은 평균 기온 상승을 1.5℃로 제한하기 위해 다양한 탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage)방법을 추진하고 있다. ? Snaebjornsdottir박사는 Reykjavik Energy社, 아이슬란드 대학(University of Iceland), 프랑스 국립과학연구센터(Franceu2019s National Centre for Scientific Research) 및 미국 컬럼비아 대학(University of Colombia) 연구팀과 공동으로 아이슬란드의 CarbFix 프로젝트를 진행하고 있다. ? 간헐천, 빙하 및 화산으로 구성된 아이슬란드에서 생산된 에너지의 절반 이상은 지열로부터 발생한다. 연구팀은 이러한 특성을 기술 적용에 있어서 매우 중요한 요소로 고려하여, 아이슬란드 Hellisheidi 지열발전소에서 연구를 수행해 나갔다. 아이슬란드 남서부 Hengill 화산에 위치한 이 발전소는 냉각된 용암으로 형성된 현무암 암석층에 위치하고 있으며, 수자원을 무제한으로 이용 가능하다. 이 발전소는 화산 밑의 물을 끌어올려, 약 30킬로미터 떨어진 레이캬비크에 전기와 열을 공급하는 6개의 터빈을 가동한다. 이 플랜트에서 발생한 이산화탄소는 증기에서 포집된 후 응축액으로 액화된 다음 다량의 물에 용해되는 과정을 거친다. ? CarbFix 프로젝트 책임자인 Edda Sif Aradottir는 "쉽게 말해, 우리 연구팀은 이산화탄소를 통해 소다수를 만들고 있는 셈이다"고 설명했다. 이렇게 만들어진 발포성 소다수(fizzy water)는 파이프를 통해 몇 킬로미터 가량 이동한 뒤 지하 1,000미터(3,300피트) 가량의 암석에 고압으로 주입된다. 이 용액은 암석 내 구멍을 채운 후 가스가 현무암의 칼슘, 마그네슘 및 철과 접촉할 때 발생하는 화학반응인 응고과정을 거친다. ? 연구팀은 파일럿 실험을 통해 주입된 이산화탄소의 대부분이 2년 이내에 광물질화 되었다고 설명했다. 이산화탄소가 암석으로 바뀌고 나면, 암석 내부에 매우 잘 포착되는 것으로 나타났다. 아이슬란드 대학 소속 지구화학자인 Sigurdur Gislason박사는 "만약 화산 폭발이 일어나 암석이 높은 온도로 가열되면 미네랄의 일부가 분해되어 (탄소가) 물에 녹을 수도 있을 것으로 보인다"고 설명했다. 그러나 그는 덧붙여 암석에 탄소를 저장하는 방식은 현재까지 가장 안정적이고 안전한 방식이라고 설명했다.

※ 본 정보는 국가과학기술정보센터(NDSL)에서 제공됩니다.

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