한국생산기술연구원(KITECH)

친환경 선박시대 앞당길 차세대 배기가스 정화기술 개발

생기원, 친환경 선박시대 앞당길 차세대 배기가스 정화기술 개발- 1메가와트 선박엔진 육상실증에서 질소산화물(NOx) 98.8% 저감 - 버너 없는 유도가열로 탄소배출 Zero, 극지용 선박 확대 적용 기대 □ 국제해사기구(IMO)가 2050년까지 국제 해운의 온실가스 배출량을 넷제로(Net-zero) 수준으로 줄이기로 하면서, 액화천연가스(LNG)와 암모니아가 친환경 선박 대체연료로 주목받고 있다.ㅇ LNG와 암모니아는 탄소 감축에 효과적인 반면 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O ), 독성 암모니아 등 또 다른 유해물질과 온실가스 배출 문제를 안고 있어 고효율 배기가스 정화기술이 중요해지고 있는 상황이다. □ 한국생산기술연구원(이하 생기원)이 기존 배기가스 정화 장치의 단점을 극복한 고효율 배기가스 정화기술을 개발했다.ㅇ 생기원 울산기술실용화본부 저탄소에너지그룹 임동하 수석연구원 연구팀은 ‘금속 지지체(Metallic substrate) 스마트 촉매 플랫폼’을 구현, 기존 장치의 한계를 극복한 차세대 선박 배기가스 정화기술 개발에 성공했다고 밝혔다. □ 배기가스 정화 장치에서 촉매는 유해물질을 화학적으로 분해하는 역할을, 지지체는 촉매를 안전하게 붙잡아두는 뼈대 역할을 담당한다.ㅇ 촉매는 적정 온도에서는 제 기능을 발휘할 수 있지만, 실제 상황에서는 선박 운항 조건에 따라 배기가스의 온도와 조성이 계속 달라져 안정적인 정화 성능을 유지하기 어렵다.ㅇ 더욱이 기존 세라믹 지지체 기반의 정화 장치는 부피가 크고 무거운 데다 열전달도 느려 신속한 온도 조절에 한계가 따른다. □ 연구팀은 이를 개선하기 위해 먼저 지지체를 얇은 금속 소재로 바꿨다.ㅇ 지지체는 배기가스가 지나는 통로의 표면에 촉매를 고정하는 구조물로, 금속을 사용하면 세라믹보다 훨씬 얇게 만들 수 있다.ㅇ 벽이 얇아지면 같은 크기에서도 촉매의 반응 면적이 넓어지고, 배기가스의 흐름을 방해하는 압력손실이 줄어들며, 촉매까지의 열전달 속도도 빨라진다. ㅇ 연구팀은 제작된 금속 지지체에 미반응 메탄*과 암모니아, 질소산화물, 아산화질소 등 배출가스를 정화하는 촉매를 고르게 입혀 촉매모듈을 구현해 냈다. * 미반응 메탄 : LNG 추진 선박 엔진 연소 과정에서 연소되지 않은 메탄(메탄슬립) □ 금속 지지체 촉매 모듈을 1메가와트(MW)급 선박 엔진에 적용한 육상 실증 결과 엔진 출력 75% 조건에서 질소산화물(NOx) 98.8%, 아산화질소 72.1%가 감소하는 우수한 성능이 입증됐다.ㅇ 1MW급 선박 엔진 운전 조건 하에서의 국내 첫 실증 사례로, 촉매 사용량도 기존 세라믹 지지체 대비 약 55%, 모듈 수 24%, 반응기 부피 30%가 감소해 제작 비용과 설치 공간을 동시에 줄일 수 있다. □ 연구팀은 금속 지지체 촉매 모듈을 고주파 유도가열로 직접 데우는 벤치 규모의 촉매 반응 시스템을 구축하고, 이를 파일럿 규모로 확대하기 위한 설계기술도 확보했다.ㅇ 기존 버너 방식은 반응기 외부로부터 열을 공급받기 때문에 이산화탄소가 발생하고, 열 손실과 온도 편차도 심하다. ㅇ 반면 고주파 유도가열 방식은 촉매가 코팅된 금속 지지체를 직접 데우는 방식이어서 빠르고 균일하게 반응 온도를 얻을 수 있다.ㅇ 재생 전력과 연계할 경우 버너 연소에 따른 탄소배출과 탄소 비용 부담도 줄일 수 있어 친환경 전기식 촉매 공정으로 활용도가 높다. □ 임동하 수석연구원은 “금속 지지체 코팅 촉매와 고주파 유도가열을 결합해 촉매 반응기는 소형화하고, 전기식 직접 가열 촉매 플랫폼을 구현한 것이 핵심”이라고 설명하며, “확보된 성과를 바탕으로 금속 지지체에 촉매를 입히는 일부 공정을 자동화하고, 촉매의 종류와 반응 조건에 따른 오염물질 저감 성능을 예측할 수 있는 AI 모델을 개발 중”이라고 말했다.ㅇ 또한 제조 자동화와 AI 예측·제어기술을 연계해 품질과 운전 효율을 지속적으로 높이는 한편 극지 운항 선박과 반도체·수소·철강 분야의 탄소 전환 분야로 확대할 계획이라고 밝혔다.

AI 기기 발열 잡는다

-열은 빼고 전기는 차단하는 차세대‘액체금속 방열 신소재’개발-생기원-강원대-동아대 공동연구로 열관리 난제 풀 핵심 소재 개발 □ AI 반도체를 비롯해 웨어러블·바이오칩 등 첨단 전자기기는 크기와 부피가 줄어드는 것과 비례해 내부의 열을 안정적으로 제어하는 기술이 중요해진다. ㅇ 이 중 방열 소재의 경우 주로 금속이나 세라믹 기반의 고열전도성 입자를 넣어, 칩에서 발생한 열이 소재를 따라 빠르게 빠져나가도록 유도하는 기술이 핵심이다.ㅇ 그러나 열전도 입자의 함량을 높일수록 소재가 경직되고, 금속 입자 간 접촉으로 전기가 흐를 수 있다. ㅇ 열은 효과적으로 전달하면서 방열 성능과 전기 차단성, 얇고 유연한 형태를 유지하는 고도의 소재 설계가 필요한 상황이다. □ 한국생산기술연구원(이하 생기원)이 강원대학교(이하 강원대), 동아대학교(이하 동아대)와 함께 전기는 차단하면서도 전 방향으로 열을 고르게 방출할 수 있는‘생체적합형 방열 복합소재'를 개발했다.ㅇ 생기원 섬유솔루션부문 김시형 수석연구원, 강원대 화학공학전공 임태환 교수, 동아대 신소재공학과 김정한 교수 연구팀이 공동으로 개발한 방열 복합소재는 부피 대비 최대 60%의 액체 금속을 첨가해 방열 성능을 극대화한 것이 특징이다. ㅇ 전기전도성과 신축성이 우수한 액체금속을 방열 복합소재에 적용하기 위해 표면장력이 큰 갈륨(Ga) 기반의 액체금속을 미세한 구형 입자 형태로 제작·첨가한 것이 주효했다. ㅇ 구형 액체금속 입자는 단단한 세라믹 입자와 달리 부드러운 물성을 유지하면서도, 열이 특정 방향에 치우치지 않고 전 방향으로 고르게 전달하는 역할을 한다.□ 연구팀은 이어 전기가 잘 통하지 않는 에폭시를 구형 액체금속 입자 표면에 얇게 코팅해 개별 입자마다 절연막을 형성시켰다.ㅇ 이를 통해 입자들 사이에 25.31(±2.51) 나노미터(㎚) 두께의 미세한 '나노 절연 간격(Nano insulating gap)'을 구현, 금속 입자가 직접 맞닿아 전기가 흐르는 현상을 완벽하게 차단하면서 열은 원활하게 전달되도록 설계했다.ㅇ 나아가 액체금속 함량에 따른 열전달과 전기 차단 성능의 상관관계를 분석해, 두 특성이 가장 완벽한 균형을 이루는 최적의 비율 60%를 도출해 냈다. □ 연구팀이 최적의 비율로 설계한 신소재‘엘피이60(LPE60)’의 성능평가 결과, 뛰어난 방열 효과와 전기절연성, 인체 조직에 가까운 부드러운 물성을 보였다.ㅇ LED 칩에 새로운 소재를 적용한 실험에서 표면 온도가 92.4℃로 나타나 기존 상용 제품인 방열 에폭시 대비 19.1℃ 낮았고, 전기절연 기준도 넉넉하게 충족했다. ㅇ 특히, 72시간 피부 세포 노출 실험에서도 세포 생존율이 100%를 유지해 인체에 무해한 것으로 확인됐으며, 원래 길이보다 20% 늘어나는 수준의 반복 인장 변형과 굽힘·가열 시험 후에도 물성과 방열 성능이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다. □ 강원대 임태환 교수는“개발된 소재는 액체금속의 높은 열전도 특성을 살리면서도 입자 사이 나노 절연 구조를 통해 전기적 안정성을 확보한 것이 핵심”이라고 설명하며“열관리와 생체적합성이 모두 필요한 분야에 적용하는 후속 검증을 이어갈 계획”이라고 밝혔다. ㅇ 생기원 김시형 수석은“차세대 AI 반도체와 웨어러블․이식형 바이오칩 분야는 특히 열을 효과적으로 제어하면서 얇고 유연한 구조에 적용할 수 있는 소재가 필요하다”고 강조하며“고집적 반도체 패키징과 생체전자기기 분야의 열관리 소재 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. □ 이번 연구 성과는 2026년 6월 세계적 국제학술지 케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)에 게재 됐다. * 논문 제목: Liquid metal particles enabled ultrahigh isotropic thermal conductivity in soft thermal interface materials for biochips packaging(DOI: 10.1016/j.cej.2026.177400)

실리콘 음극 ‘레이저 결합’으로 배터리 수명 높인다

실리콘 음극 ‘레이저 결합’으로 배터리 수명 높인다- 탄소 복합체·레이저 처리로 충·방전 시 전극 손상 줄여- 흑연 대비 용량 최대 20배, 미처리 실리콘 대비 수명 2배 □ 한국생산기술연구원이 충·방전을 반복할수록 쉽게 손상되는 실리콘 음극의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.ㅇ 생기원 서남기술실용화본부 에너지나노그룹 임진섭 수석연구원 연구팀은 전남대학교(이하 전남대) 고분자융합소재공학부 윤창훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 입자를 안정적으로 지지하는 3차원 전도성 골격을 구현했다.ㅇ 연구팀은 여기에 적외선 레이저 처리를 더해 골격 간 연결성을 높임으로써, 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘 음극의 구조 손상을 완화하는 데 성공했다고 밝혔다. □ 스마트폰, 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬이온을 음극에 저장하고, 사용 시 다시 양극으로 이동시키며 전기를 공급하는 구조이다. ㅇ 이때 음극 소재로 널리 쓰이는 흑연은 장기간 사용해도 안정적이지만, 저장할 수 있는 리튬의 양이 제한적이어서 보다 많은 리튬을 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.ㅇ 그런데 실리콘은 충‧방전 과정에서 부피가 크게 팽창‧수축하는 특성으로 인해 배터리 용량이 빠르게 감소하는 단점이 있다. □ 연구팀은 실리콘 음극의 구조 손상을 줄이기 위해 마이크로 실리콘 입자에 셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체(Cellulose-Carbon Nanotube, 이하 C-CNT)를 결합해 음극층을 만들었다.ㅇ C-CNT는 식물 섬유인 셀룰로오스와 전기가 잘 통하는 탄소나노튜브를 결합한 복합체다.ㅇ 음극층 안에서 이 복합체가 서로 얽히며 형성된 3차원 지지 구조물(Scaffold)이 실리콘 입자를 촘촘히 감싸 잡아 주고, 전자 이동 통로 역할도 함께 수행해 충·방전 과정에서도 음극 구조가 안정적으로 유지될 수 있다. □ 연구팀은 여기에 파장 1,070나노미터(㎚)의 적외선 레이저를 조사해 C-CNT를 실리콘 표면에 결합시켜 두 소재 간 결합력을 높였다.ㅇ 레이저가 조사되면 실리콘 입자 표면이 순간적으로 가열되면서 주변의 탄소나노튜브와 셀룰로오스가 실리콘 표면에 화학적으로 결합하게 된다.ㅇ 이 과정에서 셀룰로오스는 전기가 더 잘 통하는 흑연 구조로 변환되고, 실리콘 표면에는 탄화규소(SiC) 보호막이 형성되는 원리이다. ㅇ 이를 통해 실리콘이 팽창·수축하는 과정에서도 탄소 지지 구조물이 함께 지탱해 주기 때문에 음극 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. □ 개발된 음극은 전기화학 특성 평가 결과 초기 용량과 용량 유지율이 모두 개선된 것으로 나타났다.ㅇ 저속 충·방전 조건인 0.1C*에서 2,213밀리암페어시 퍼 그램(mAh/g), 고속 충·방전 조건(2.0C)에서 1,350mAh/g의 초기 용량을 기록했다. * 배터리를 충전하거나 방전하는 속도를 나타내는 단위로, 1C는 약 1시간, 2.0C는 약 30분, 0.1C는 약 10시간에 충·방전하는 속도에 해당ㅇ 이는 흑연 음극의 용량인 300mAh/g(0.1C), 65mAh/g(2.0C)과 비교해 약 7배, 20배 높은 수치다.ㅇ 100회 충․방전 후 용량 유지율은 레이저 처리를 하지 않은 실리콘 음극 34%보다 2배 이상 높은 71%의 수명 특성을 기록했다. □ 임진섭 수석연구원은 “이번 성과는 실리콘 음극의 저장 용량을 높였을 뿐 아니라 반복 사용 중 음극 구조가 손상되는 문제를 줄였다는 데 의미가 있다”고 말하며 “대면적 전극 제조 조건과 실제 셀 적용 가능성을 단계적으로 검증할 계획”이라고 밝혔다.ㅇ 공동 교신저자 윤창훈 교수는 “셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체 기술을 배터리 음극 구조 설계에 적용한 사례”라며, “당초 온실가스 농도 측정을 위한 센서 개발 과정에서 출발한 복합체기술이 생기원의 배터리 소재‧공정 연구 역량과 결합 되며 의미 있는 성과로 이어졌다”라고 밝혔다. □ 이번 연구는 과학기술정보통신부의‘에너지 변환 및 저장 소자 자원재순환 지역혁신 선도연구센터’사업 지원을 받아 수행되어 4월 22일 재료과학 분야 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인판에 게재됐다. ※ 논문명 : Laser-Welded Cellulose-Carbon Nanotube Nanocomposites as a 3D Scaffold of Si Anodes for High-Performance Lithium-Ion Batteriess(https://doi.org/10.1002/adfm.20252