[기획] 2021 한국화학공학회 봄 학술대회 심포지엄
[기획] 2021 한국화학공학회 봄 학술대회 심포지엄
  • 박병인 기자
  • 승인 2021.04.26
  • 댓글 1
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첨단기술부터 특수소재까지 미래산업 ‘총 망라’
가격 이점 탄화수소 고분자 전해질 막, 내구성 보완해야
3D 그래핀, 에너지 저장장치에 유용···이차전지 ‘핵심’
김덕준 성균관대학교 교수가 연료전지의 분리막에 대한 발표를 진행하고 있다.
김덕준 성균관대학교 교수가 연료전지의 분리막에 대한 발표를 진행하고 있다.

[투데이에너지 조대인ㆍ박병인 기자] ‘2021년 한국화학공학회 봄 총회 및 학술대회’가 21일부터 23일까지 부산 벡스코에서 성황리에 개최됐다.

이번 행사의 ‘꽃’이라고 할 수 있는 심포지엄에서는 첨단기술들을 비롯해 특수소재까지 미래산업에 대한 모든 것이 소개돼 참관객들의 이목을 끌었다.

현재 우리나라 산업계가 보유한 기술력은 물론 향후 발전해 나가야 할 방향에 대해서도 엿볼 수 있었던 정보교 류의 장인 셈이었다.

화학공학회 봄 학술대회 심포지엄은 최근의 트렌드를 반영해 그린뉴딜, 첨단산업 및 소재, 에너지효율 등 다양한 주제로 진행됐다.

이에 화학공학회 학술대회 심포지엄에서 어떠한 첨단기술이 소개됐으며 향후 우리나라 산업이 발전해나아가야 할 청사진은 무엇인지 들여다보기로 한다. /편집자 주

■ 탄화수소 고분자전해질 막, 내구성 보완 필요
김덕준 성균관대학교 교수는 ‘연 료전지용 고분자 전해질 막의 내구성 향상’을 주제로 심포지엄을 진행했다.

양이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 화학에너지를 전기에 너지로 변환하는 장치로서 음극 (anode)에서는 수소 산화반응이, 양극(또는 공기극, cathode)에서는 산소의 환원반응이 일어난다.

두 전극과 전해질 막으로 제조된 막 - 전 극 접 합 체 ( M e m b r a n e Electrode Assembly, MEA)는 연료전지의 기본 구성단위라고 할 수있다.

고분자 전해질 막은 양이온(프로 톤)을 전달하는 대신 수소의 이동은 막아야 한다. 장기간 사용을 위해서는 화학적, 열적, 기계적 화학 적, 치수적 안정성을 가져야 한다.

나피온으로 대표되는 과불소화 전해질 막은 우수한 물리적 강도및 양이온 전도 특성에도 불구하고 막의 가격이 매우 비싸며 낮은 유리 전이온도가 단점으로 지적돼왔다.

반면 방향족 고분자 구조의 탄화 수소 고분자전해질 막은 단가를 크 게 낮출 수 있으며 고온에서의 장기운전에서도 높은 치수 안정성을 유지할 수 있다.

김덕준 교수는 “기존의 탄화수소 전해질 기반 MEA는 낮은 가격등 장점이 있지만 문제점으로 알려진 물리적 및 화학적 내구성을 획기적으로 향상시킬 필요가 있다”고 설명했다.

김 교수는 탄화수소 고분자전해질 막의 물리적 내구성 향상을 위해서는 블록 공중합체 합성 및 강화 막 제조가 필요하다고 밝혔다.

저습 이온전도도의 향상 및 전극 층과의 계면 접착성의 향상이 필요하며 불럭공중합체를 이용해 상분리 특성을 극대화해야 한다.

불소계 지지체를 이용한 강화 막을 제조하는 것도 필요하다. 이를 위해 지지체를 친수화하고 고분자 용액 제조 및 함침 연구를 통해 강화 막을 제조하는 과정이 필요하다.

또한 김 교수는 탄화수소 고분자 전해질 막의 화학적 내구성 향상을 위해서는 새로운 라디칼 퀜쳐 도입이 필요하다고 강조했다.

양극과 음극에서 생성되는 OH 라디칼이 고분자전해질의 주쇄와 측쇄를 화학적으로 분해하는 주요 성분이다. OH 라디칼을 제거하기 위한 라디칼 퀜쳐 (Cerium 이온)는 술폰산 기를 비활성화해 프로톤 전도도 감소를 야기하며 물과 함께 외부로 유출되는 단점이 있다.

Cerium (Ce)/Crown ether (CRE) 유무기 배위결합복합체 형태의 라디칼 퀜쳐는 술폰산기 비활 성화를 최소화하며 CRE에 의한 Ce 고정효과에 의해 Ce의 유출속 도를 감소시킨다.

CE/CRE 라디칼퀜쳐가 고분자 주쇄에 고정된 전해질막을 제조하며 Ceria 나노입자를 제조해 고분자 전해질 막에 도입함으로서 고분자전해질 막의 장기 화학적 안정성을 도모할 수 있다.

이문용 영남대학교 교수가 지속가능 화학공정을 위한 주 통로를 주제로 발표를 진행하고 있다.
이문용 영남대학교 교수가 지속가능 화학공정을 위한 주 통로를 주제로 발표를 진행하고 있다.

■ 통합·집적·하이브리드화, E 효율 개선 ‘핵심’
이문용 영남대학교 교수는 증류 공정에서의 에너지효율 극대화를 위한 통합화, 집적화, 하이브리드 화에 대한 기술 추세, 주요 이슈 및결과, 전망을 소개했다.

이문용 교수에 따르면 증류공정은 석유화학산업에서 사용되는 모든 분리수단의 90% 이상을 차지하고 있는 대표적인 분리공정이며 동시에 국가 산업체 에너지 소비의 25%를 점유하는 에너지 다소비 공 정이다.

이는 국가 총 에너지 사용의 16% 에 해당하며 국내 자동차 1,700만 대가 사용하는 에너지와 같다. 예를 들면 증류공정에서의 에너지효율 10% 개선은 자동차 170만대를 감축하는 막대한 에너지 경제적 및기후 환경적 효과를 가진다.

이러한 이유 때문에 이 교수는 증류공정에서의 에너지효율 증대는 해당 산업체의 경쟁력뿐만 아니라 국가 전체의 에너지경쟁력과 이산화탄소 저감에 큰 영향을 미치며 효율 증대를 위해 많은 노력을 기울여야 한다고 강조했다.

이에 대해 이 교수는 “증류공정의 에너지 효율을 높이기 위한 많은 노력들이 오랜기간 시도돼 오고 있으며 이러한 일환으로 증류공정의 ‘통합화’, ‘집적화’, ‘하이브리드 화’ 접근은 지속가능한 녹색 화학 공정의 실현을 위한 메인 추세로 관심을 받고 있다”고 설명했다.

‘통합화’란 공정과 연관된 다른 수준과 유형의 에너지 배출원과 소비 원을 서로 통합해 외부로부터의 에너지 유입을 최소로 하는 기술이다.

‘집적화’는 다수의 단위공정을 하나의 공정에 집적화해 이식해줌 으로써 개별적으로 열거된 공정에 비교해 전체 공정의 에너지효율을 대폭 높여주는 기술이다.

‘하이브리드화’는 다른 유형의 분리공정을 조합해 각 공정이 내어 주는 잠재적 장점 구간을 최대한 활용하게 함으로써 전체 공정의 효율을 최대로 하는 기술이다.

이 교수는 “증류공정에서의 에너지효율은 연관된 설계변수와 운전변수의 최적조건을 찾아 구현해 줌으로써 극대화할 수 있다”라며 “이러한 통합화, 집적화, 하이브리 드화에 따른 공정의 복잡화로 인해 여하히 최적의 설계조건과 운전조 건을 적절히 찾아내 공정이 가진 잠재적 효율을 최대한 이끌어 낼수 있는지가 새로운 도전적인 과제로 주목받고 있는 상황”이라고 설명했다.

■ 3D 그래핀, 이차전지 핵심소재 부각
장희동 한국지질자원연구원 연구위원은 이번 봄 학술대회에서 ‘에너지 저장소재용 3D 그래핀 복합체 제조’에 대한 심포지엄을 진행했다.

이번 심포지엄에서 장희동 연구원은 그래핀에 대한 특성, 장점에 대한 설명을 이어갔다.

장 연구원은 “그래핀은 육각형을 빈틈없이 깔아 놓은 벌집 모양에 탄소원자가 배열돼 있는 원자 1 개 두께 0.2 nm 밖에 되지 않는 얇은 막”이라며 “그래핀은 원자 한층의 두께를 지니기 때문에 동일한 결합구조이지만 여러 층으로 구성돼 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보이며 뛰어난 특성으로 탄소 나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가 받으며 ‘꿈의 신소재’라는 별명이 있다”고 소개했다.

특히 그래핀은 탄소나노튜브 (CNT)와 비교 시 두 물체 모두 우수한 전기적, 기계적 물성을 보유 했으나 CNT는 도체, 반도체 성격을 보이고 그래핀은 도체서의 성격을 보인다.

CNT에 비해 평면구조인 그래핀은 대면적화와 전자공정 적용에 유리하다.

그래핀은 접히는 디스플레이, 고속 트랜지스터, 화학 센서, 태양광 Cell 등에 사용된다.

시트 형태를 갖는 2D그래핀은 여러 분야에 응용할 경우 적용 가능한 면적이 감소해 특성 효율이 떨어진다.

반면 입체형상을 갖는 3D그래핀은 대량으로 제조할 때 그래핀의 우수한 성질을 유지한다.
3D 그래핀 형상은 표면적의 응집이 적어 2D 그래핀보다 비교적 표면적이 커 여러 분야에 응용하더 라도 우수한 성질을 나타낸다.

이 같은 그래핀의 특성을 이용하면 에너지 저장장치에 유용하게 응용될 수 있다.

슈퍼커패시터는 우수한 출력 특 성과 긴 수명, 낮은 유지비용, 신속한 출력 응답특성, 우수한 안정성 등으로 인해 보조배터리용 혹은 배터리의 대체 용으로 사용 가능한 에너지 저장장치다.

슈퍼커패시터의 전극소재로서 탄소재료가 사용되는데 그래핀은 나노탄소 재료로서 높은 비표면적및 뛰어난 전기전도도를 지니고 있어 기존의 활성탄기반 전극재료에 비해 슈퍼커패시터의 응용에 매우 적합한 재료로 주목받고 있다.

또한 그래핀은 리튬 이차전지에도 유용하게 사용될 수 있다. 실리콘은 이론적 에너지밀도가 3,79mAh/ g로서 리튬 이차전지 음극소재 중가장 용량이 높은 차세대 음극소재 로서 주목 받고 있다.

그러나 실리콘입자는 충방전시큰 부피 팽창과 수축으로 인해 균열이 가고 이로 인해 전기적 연속 성이 크게 감소하는 단점이 있다.

이 연구위원은 “파손된 입자의 표면에 전해질 층이 생성되고 충방 전이 지속되면서 그 층이 두꺼워져 이차전지의 전지 용량과 수명이 크게 감소하는 단점도 문제가 되고 있다”라며 “이 같은 문제점을 해결 하기 위해 실리콘 입자 표면을 그래핀으로 감싸는 기술을 개발했 다”고 설명했다.

아울러 직접메탄올 연료전지는 메탄올과 물의 전기화학반응으로 생성되는 수소가 산소와 결합하 면서 전기를 생산하는 연료전지 로서 높은 반응율, 낮은 반응온도, 낮은 오염 물질 배출 등의 장점이 있다.

DMFC의 활성과 수명에 중요한 영향을 미치는 전기화학 촉매의 개발이 주목받고 있다.



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윤진한 2021-04-26 21:31:10
국사 성균관(성균관대)나라. 조선.대한제국 유일무이 최고 교육기관 성균관의 정통 승계 성균관대는 국내외에서 6백년 넘는 역사를 행정법.국제관습법으로 인정받고 있음.Royal성균관대.세계사의 교황반영, 교황윤허 서강대는 국제관습법상 성대 다음 Royal대 예우.패전국 일본 잔재이자, 불교 Monkey 경성제대 후신 서울대는 한국영토에 주권.자격.학벌 없어왔음.*성균관대,개교 6백주년 맞아 개최한 학술회의. 볼로냐대(이탈리아), 파리 1대(프랑스), 옥스포드대(영국), 하이델베르크대(독일),야기엘로니안대(폴란드) 총장등 참석.

http://blog.daum.net/macmaca/1467

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