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기술동향

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  • [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.

  • [기술동향] 달 뒷면 착륙한 창어 4호, 달의 기원을 밝힌다

    창어 4호, 달 뒷면서 맨틀 흔적 발견 ? 인류 역사상 처음으로 달 뒷면에 착륙한 중국의 무인 달 탐사선 u2018창어 4호u2019가 지구처럼 달에도 맨틀이 존재할 것이라고 예상되는 증거를 발견했다. 맨틀은 지각 바로 아래에 위치한 암석층으로 핵을 둘러싸고 있다. 이번 연구 결과는 달의 기원과 원시 상태, 그리고 행성의 생성 과정을 이해하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다. ? 중국과학원(CAS) 리춘라이 박사 연구팀은 창어 4호의 로버(무인 로봇 탐사 차) u2018위투-2u2019가 과학 및 근적외선 분광기(VNIS)를 이용해 확보한 데이터를 분석해, 이 같은 결론을 얻었다고 국제학술지 '네이처(Nature)'에 발표했다. 창어 4호가 착륙한 달 남극의 에이트킨 분지에서 칼슘 성분은 적고 철과 마그네슘 성분이 풍부한 휘석과 감람석을 발견했다는 연구다. 연구진은 로버가 수집한 데이터와 일반 달 표면 물질의 성분을 비교 분석해 이 같은 결론을 내렸다. ? 감람석과 휘석은 맨틀 마그마에서 나오는 광물로, 칼슘 성분은 적고 철과 마그네슘 성분은 많은 것이 특징이다. 휘석은 지구 맨틀 마그마에서도 나온다. 창어 4호가 입증한 감람석과 휘석의 존재는 달에도 맨틀이 존재한다는 사실을 강력하게 입증하는 근거인 셈이다. ? 달의 지각과 맨틀은 달 진화 초기 단계에 마그마 바다에서 감람석과 휘석처럼 철분과 마그네슘이 풍부한 광물들이 가라앉아 고체화되면서 형성됐다. 지질학자들은 지금까지 큰 충돌에 의해 생긴 달의 충돌구(크레이터)에서 달 맨틀의 흔적을 찾을 것으로 기대해 왔다. 하지만 달 맨틀의 존재 여부를 입증하는 직접적인 증거를 발견한 적은 없었다. 일본의 달 탐사 위성 u2018가구야u2019가 달 표면 약 100km 상공에서 촬영한 데이터를 통해 감람석과 휘석의 존재를 간접적으로 짐작할 뿐이었다. 이번에 창어 4호가 수집한 데이터를 통해 연구진은 달의 맨틀이 있다는 흔적을 직접적으로 발견한 셈이다. ? 사진 1. 달의 맨틀이 있음을 알려주는 휘석의 모습. (출처: shutterstock) ? 달의 기원을 파헤친다 ? 이번 연구 결과로 인류는 달 맨틀의 구조뿐만 아니라 달이 어떻게 만들어졌고 진화했는지 그 기원을 보다 명확하게 연구할 길을 열었다. 지구에서 보이지 않는 달의 뒷면은 원시 달의 모습을 많이 간직하고 있고 운석이나 소행성 충돌의 흔적도 남아 있다. 창어 4호는 탑재체를 통해 토양이나 광물 성분 탐사뿐만 아니라 주파수 탐지, 지하수 탐사, 특정 광물 탐사를 할 수 있다. 창어 4호가 에이트킨 분지를 탐사한 데이터를 종합적으로 분석하며 달의 기원을 좀 더 명확하게 설명할 수 있는 데이터를 얻을 수 있다. ? 에이트킨 분지는 달의 뒷면에서 가장 큰 충돌구로 지름이 2500km, 깊이는 13km에 달하는 대형 충돌 분화구다. 지질학자들은 약 46억 년 전 지구와 달이 생성된 이후 얼마 지나지 않은 41억 년 전 무렵에 커다란 운석이나 소행성이 달과 충돌하여 에이트킨 분지가 생성되었을 것으로 추정하고 있다. 또 충돌 당시 어마어마한 규모의 충격으로 달 맨틀 상부의 물질들이 달 표면으로 튕겨 나왔을 것으로 추정해왔다. ? 사진 2. 창어 4호가 착륙한 폰 카르만 충돌구. (출처: 중국과학원 우주기술연구소) ? 창어 4호는 에이트킨 분지에서도 깊은 곳인 u2018폰 카르만u2019 충돌구에 착륙했다. 폰 카르만 충돌구 역시 지름 180km에 이르는 거대한 지역이다. 최근에는 창어 4호가 착륙한 지역에 정식으로 이름이 붙기도 했다. 달 곳곳에는 보통 영문으로 된 유럽식 지역명을 붙여왔지만 이번에는 u2018스타치오 톈허u2019라는 라틴어와 중국어로 된 지역명이 부여됐다. 톈허는 중국설화 u2018견우와 직녀u2019에서 따온 이름으로 은하수라는 뜻이다. 스타치오(Statio)는 라틴어로 장소를 의미한다. ? 이외에도 국제천문연맹(IAU)는 달 뒷면 4개 지점의 명칭을 새로 승인했다. 승인된 이름은 즈뉘(織女), 허구(河鼓), 톈진(天津), 몬스 타이(Mons Tai)로 중국문화와 밀접한 관련있다. 즈뉘는 한국말로 직녀, 허구는 견우, 톈진은 은하수 강가에 설치된 나루터를 뜻한다. 창어 4호 착륙지와 46km 떨어진 폰 카르만 충돌구의 중앙 봉우리에는 몬스 타이라는 이름이 붙었는데, 몬스는 라틴어로 산을 뜻하고 타이는 중국의 태산(泰山)을 뜻한다. ? 창어 4호, 우주의 비밀까지 풀 수 있어 ? 이번 연구 결과의 주역인 창어 4호는 지난해 12월 8일 중국 쓰촨성 시창위성발사센터에서 중국의 우주발사체 u2018창정(롱 마치) 3Bu2019에 실려 우주로 올라갔다. 이후 12월 30일 고도 약 15~100km의 달 궤도에 정상적으로 진입한 뒤 궤도를 따라 달 주위를 돌며 서서히 고도를 낮춰 2019년 1월 3일 세계 최초로 달 뒷면에 성공적으로 안착했다. ? 지구에서는 늘 달의 같은 면만 보인다. 달의 공전주기와 자전주기가 약 27.3일로 같기 때문이다. 이 때문에 지구와 단절된 달 뒤편에서는 지상과의 교신이 불가능했다. 달 뒷면이 앞면보다 충돌구가 많다는 점도 착륙선을 보내기 어려운 걸림돌이었다. 중국은 달과 지구 사이에 오작교를 의미하는 u2018췌차오u2019라는 이름의 통신중계위성을 띄워 이런 문제를 해결했다. 췌차오는 지구에서는 45만5000km, 달에서는 약 6만5000km 떨어진 헤일로 궤도에 안착해 달의 뒷면과 지구를 동시에 바라보며 창어 4호가 달 뒷면에 착륙을 시도할 때 필요한 신호를 중계했다. ? 창어 4호가 보낸 사진 80장을 합성해 만든 달 뒷면 360도 파노라마 사진. (출처: 중국국가항천국) ? 창어 4호의 달 뒷면 탐사는 여러 가지 의미를 지닌다. 뒷면에 최근에 형성된 거대한 분화구가 많은 만큼 달의 기원과 진화를 이해하는 데 큰 도움이 된다. 또 달 뒤편에서는 심우주에서 오는 0.1~40MHz 수준의 저주파 전파를 관측할 수 있다. 이렇게 약한 신호의 전파는 대기권에서 반사돼 지구에서는 잘 포착되지 않는다. 달 뒷면에 도착하는 저주파 전파를 분석하면 별의 소멸 과정에서 방출되는 자기장과 별과 별 사이에 있는 다양한 성간물질에 대한 정보를 얻을 수 있다. 달 뒤편에서 창어 4호가 수행하는 저주파 전파 관측을 통해 우주의 비밀을 풀 실마리를 얻을 수도 있다. ? 글: 김민아 과학칼럼니스트/일러스트: 이명헌 작가 ?

  • [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(France’s 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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