에너지/환경

혁신적 이념의 풍력열발생장치로 50~60℃ 열수 획득

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중국과학원 국가에너지풍력발전블레이드개발(실험)센터 쉬젠중(徐建中) 연구팀은 풍력에너지 이용 및 열역학 교차 이론을 기반으로 "풍력열발생장치" 혁신 아이디어를 제안하였다. 풍력에너지를 구동력으로 하는 해당 풍력열발생장치는 전기발전 과정을 거치지 않고 직접 풍력에너지를 열에너지로 전환시킨다. 또한 풍력에너지와 전기에너지의 에너지전환 손실을 감소시킴으로써 시스템 제조비는 낮추고 시스템 효율을 대폭 향상시켰는바 그 경제적 지표는 기존 주류 청정에너지원 급열/급냉 기술을 훨씬 초과한다. 연구팀은 풍력기(wind machine) 시뮬레이션 시스템을 기반으로 풍력열발생장치 하드웨어-인-더-루프 시뮬레이션(HILS) 실험플랫폼 및 컴퓨팅 시뮬레이션 플랫폼을 구축하였다. 해당 플랫폼은 풍력기 시뮬레이션 시스템을 이용해 서보모터를 제어하기에 다양한 작동상태의 풍력기 출력을 시뮬레이션할 수 있다. 또한 서보모터를 구동력으로 하여 열펌프 입력전력(input power) 변화를 조절하며, 고온 항온수조 및 저온 항온수조를 이용해 고·저온 열원을 시뮬레이션하는 등 다양한 작동상태에서의 풍력열발생장치 열발생 성능계수 COP(열발생량/역학에너지) 변화법칙 측정이 가능하다. 한편 풍력열발생장치 시뮬레이션 계산모형을 구축해 열펌프장치 COP 실제 측정값과 시뮬레이션값의 비교 결과를 획득하였다. 해당 실험플랫폼으로 풍력열발생장치 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 검증할 수 있다. 또한 미국 국립재생에너지연구소(NREL)가 개발한 Aerodyn/FAST 풍력기 시뮬레이션 플랫폼에 기반하고 BEM 이론 및 개방형 압축기 모델을 결합해 1.5MW 풍력열발생장치 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 아울러 해당 모형에 기반해 다양한 풍속시의 성능곡선 및 전형적 작동상태에서의 운행법칙을 획득하였다. 풍력열발생장치의 풍력에너지 이용계수 Cp(역학에너지/풍력에너지) 및 1차에너지 이용률 Cp×COP(열발생량/풍력에너지) 그래프에서 풍력열발생장치 Cp는 먼저 감소하였다가 후에 증가하였다. 즉, 풍속 7.74 m/s시 Cp는 피크값 0.4627에 도달한 후 점차적으로 감소하였다. 풍력열발생장치 1차에너지 이용률 Cp×COP와 Cp는 유사한 변화법칙을 보였지만 그 피크값은 고풍속에서 나타났다. 즉, 풍속 8.54 m/s시 피크값은 1.9363에 도달했다. 1.5MW 풍력열발생장치를 장자커우(張家口) 줘루(涿鹿) 지역 황디청(黃帝城)진에 응용해 얻은 동계 전형적 작동상태에서의 역학에너지 및 열발생량 변화를 보면, 시간에 따른 열발생량 변화 값은 최대 5.34MW에 도달했고 평균 열발생량은 약 3.0MW로 50,000m² 건축물의 난방수요를 만족시킬 수 있다. 풍력열 이용의 산업화 촉진을 위해 연구팀은 2019년 12월에 100kW급 풍력열발생장치 프로토타입을 개발했고 2020년에 허베이성 줘루현 황디청진에서 해당 프로젝트 시범응용을 완수할 계획이다. 앞서 시행한 5,000m² 호텔건물에서의 냉열원 공급시범에서 풍력열발생장치는 토양원을 저온 열원으로 하여 50~60℃ 열수를 발생했고 열발생 COP는 3.5 이상에 도달했다. 이로써 해당 시범프로젝트는 후속 풍력열발생장치 산업화 보급을 위해 기반을 마련하였다.

긴 수명 아연 기반 플로우 배터리용 복합이온 전도막 개발

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중국과학원 다롄(大连)화학물리연구소 리셴펑(李先锋)/장화민(张华民) 연구팀은 긴 수명 아연 기반 플로우 배터리용 복합이온 전도막을 개발하여 아연 기반 플로우 배터리의 순환 수명을 뚜렷이 향상시켰다. 해당 성과는 "Angewandte Chemie International Edition"에 게재되었다. 배터리의 핵심부품인 이온 전도막의 합리적인 막 구조 설계는 배터리의 순환 안정성을 향상시킴에 있어서 아주 중요하다. 연구팀은 고열전도성과 높은 기계적 강도를 보유한 질화붕소 나노시트를 다공질막에 도입하였다. 즉, 기저막에 한 층의 질화붕소 나노시트를 도입하여 복합이온 전도막을 제조했다. 그 중, 음극 대향 질화붕소 나노시트는 전극 표면 온도를 균일하게 분포시키고 아연 침적 형상을 날카로운 "수지상"에서 부드러운 "감자튀김상"으로 조절할 뿐만 아니라, 기계적 강도가 높아 과도 성장하는 날카로운 아연 수상돌기의 막박 재료에 대한 파괴를 효과적으로 방지할 수 있다. 두 가지 방면의 시너지 효과를 통해 배터리의 수명을 대폭 향상시킬 수 있다. 해당 복합이온 전도막을 이용하여 조립한 알칼리성 아연-철 플로우 배터리는 800mA/Cm2의 전류 밀도 조건에서 500회 충방전 주기로 800시간 안정적으로 작동하였으며 뚜렷한 감쇠가 없었다. 200mA/Cm2의 전류 밀도 조건에서도 에너지 효율이 80% 이상이었다. 해당 결과는 아연 기반 배터리의 아연 음극 조절에 중요한 참고적 가치가 있다. 아연 기반 플로우 배터리 에너지 저장 기술은 비용이 낮고 안정성이 높으며 친환경적인 등 특성을 보유하여 분포식 에너지 저장 분야에서 우수한 응용 전망을 보여준다. 그러나 아연 이온이 음극에서 환원될 때, 수지상, 이끼상, 층상 등 상이한 형상의 금속 아연으로 침적되기 때문에 그 중에 파괴성을 가진 수지상 금속 아연-"아연 수상돌기"가 어느 정도 성장하면 이온 전도막을 파괴하여 배터리 순환 수명을 단축시킨다. 연구팀은 기존의 연구에서 박막 재료의 전하 특성을 이용하여 아연 침적 방향과 형태를 조절할 수 있으며 아연 기반 플로우 배터리의 순환 안정성을 대폭 향상시킬 수 있음을 발견하였고 이를 이용하여 연구 성과를 도출했다.

보하이 라이저우만에서 20m 두께 오일층 발견

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2020년 3월 18일, 중국해양석유집단유한공사(CNOOC)는 보하이(渤海) 라이저우만(萊州灣) 북부 컨리(墾利) 6-1-3호정에서 약 20m 두께의 오일층을 발견했다. 테스트 결과, 단일 시추정의 원유 연간 생산량은 40여만 통에 달할 전망이다. 이는 라이저우만 북부 지역의 첫 대형 유전이다. CNOOC는 20세기 70년대 말부터 라이저우만 북부 지역에서 40여 차의 탐사를 수행했지만 효과가 이상적이지 못했다. 발견된 갱정의 원유 저장량 규모가 작고 분산되어 효과적인 생산능력을 달성하기 어려웠다. 2019년, CNOOC는 비상규적인 이론 및 기술을 기반으로 해역에서의 대·중형 석유가스전 탐사를 수행하여 10여 개 새로운 석유가스전을 발견했다. 또한 탐사 방법 혁신을 통해 라이저우만 북부 석유가스전의 집결 규칙 및 탐사 경로를 파악했다. 연구 결과, 컨리 6-1 유전은 저장량 규모가 크고 오일 품질이 좋으며 생산능력이 높았다. 이번에 발견한 컨리 6-1-3호정 20m 두께 오일층의 시추 깊이는 1,596m에 달한다. 동 발견은 해당 지역에서 40여 년 동안 상업용 석유가스를 발견하지 못한 국면을 개변시킴과 아울러 보하이 남부 지역의 거대한 탐사 전망을 보여줌으로써 보하이 유전에서 지속적으로 10년 동안 안정적인 생산을 달성하고 4,000만 t의 생산 목표를 달성하는데 튼튼한 기반을 마련했다. 향후 CNOOC는 보하이 19-6 테스트 영역 및 중국 첫 자체 경영 전체 장비 심해 유전 류화(流花) 16-2 등 8개 새로운 프로젝트의 순리적 가동을 지속적으로 추진할 전망이다.

장순환 안정성 칼륨이온 배터리 양극 재료 개발

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중국과학원 선전(深圳)첨단기술연구원 기능성박막재료연구센터 탕융빙(唐永炳) 연구팀은 칭화(清华)-버클리(Berkeley)국제대학교 청후이밍(成会明) 연구팀과 공동으로 장순환(long-circulating) 안정성을 구비한 신형 칼륨이온 배터리 양극 재료를 성공적으로 개발했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 온라인으로 게재되었다. 칼륨이온 배터리의 음극과 전해질의 개발은 비교적 성숙한 반면, 양극 재료 개발은 비교적 느리다. 주요 원인은 칼륨이온의 반가가 리튬이온 보다 현저히 크고(1.38 vs 0.76 옹스트롬), 양극이 칼륨이온에서 탈삽입(de-intercalation)될 때 결정 구조가 쉽게 붕괴되어 배터리 성능이 빠르게 저하되기 때문이다. 기존의 해결책은 비교적 큰 이온 확산 채널이 칼슘이온을 자유롭게 출입할 수 있는 프러시안 블루 유사체와 같은 개방형 재료를 찾는 것 이다. 그러나 프러시안 블루 유사체의 결정격자 구조는 제조 과정에서 용매 물분자를 쉽게 도입하며 이들은 한편으로는 채널 위치를 차지하여 칼륨이온의 확산을 방해하고 다른 한편으로는 전해질과 반응하여 배터리 용량을 신속하게 감쇠시킨다. 연구팀은 고안정성 개방형 결정 프레임워크 구조를 구비한 플루옥실레이트 폴리머 음이온 칼륨 전기 양극 재료(KFeC2O4F)를 성공적으로 개발했다. 해당 양극 재료의 3차원 구조 프레임워크는 4.3×4.2옹스트롬, 6.3×3.7옹스트롬 등 다양한 사이즈의 채널을 포함하기에 탈삽입 칼륨으로 인한 체적 변화는 7.6 %에 불과하여 고안정성을 구비한 LiFePO4 양극 재료(~7.8 %)와 맞먹으며 프레임워크는 "호흡"을 통해 칼륨이온의 가역 탈삽입을 허용하고 아울러 Fe2+/Fe3+의 산화환원 반응을 동반한다. 해당 칼륨 전기 양극 재료는 0.2Ag-1 전류에서 112mAhg-1의 가역 용량과 우수한 순환 안정성을 나타내며 2,000차 순환 후의 용량은 94%를 유지하여 대규모 에너지저장 분야에서 잠재적인 응용 전망을 갖고 있다. 해당 연구 성과는 저가 금속 기반 신형 칼륨전기 양극 재료의 개발을 위한 참고가치가 있다.

오염을 줄일 수 있는 신형 유황시약 개발

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안후이농업대학교 농산품품질안전 성급실험실 리야후이(李亞輝) 연구팀은 기존 유황시약의 심각한 오염 문제를 해결할 수 있는 신형 유황시약을 개발해 함황화합물 합성에 새 경로를 제공했다. 해당 성과는 "팔라듐 촉매 할로겐화 벤젠과 티오에테르, 설포리피드 분자 간 유황기 전이"란 제목으로 "Chemical Science"에 게재되었다. 의약, 농약, 고분자재료 등에서 흔히 볼 수 있는 함황화합물은 수많은 약물분자의 핵심 약물작용발생단(pharmacophore)으로서 그 제조 관련 연구는 줄곧 관심을 받고 있다. 함황화합물 제조시 보편적으로 유황시약을 필요로 하는데 일반적인 유황시약은 환경을 오염시키고 제조가 어려우며 악취를 풍기는 등 문제가 있고 또한 사용과정에 쉽게 환경오염을 유발하는 것은 물론 작업자 신체에도 피해를 준다. 따라서 새 함황화합물 합성경로 개발은 업계의 미해결 과제로 되고 있다. 기존 함황화합물의 제조 경로는 기질(substrate)을 통해 유황시약과 합성시키는 것이다. 연구팀은 역발상 방식을 활용해 기존의 염가 함황화합물을 화학반응에서 유황시약 분자형식으로 되돌린 다음 새 기질과 반응시켜 새 함황화합물을 합성할 수 있을지를 설계하였다. 관련 메커니즘에 대한 연구에 기반해 금속으로 기존 함황화합물을 산화첨가(oxidative addition)시켜 중간체를 획득한 다음 분자 간 금속교환반응(transmetallation)을 거쳐 새 함황화합물을 성공적으로 합성하였다. 해당 유형의 신형 유황시약은 일반적인 유황시약의 사용을 회피함으로써 환경에 대한 오염 및 인체에 대한 피해를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 시약원(reagent sources)을 확장함으로써 의약, 농약 중 함황화합물 제조에 새 아이디어를 제공하였다.

세계 최초 상온상압 유기액상수소 저장재료 생산장치 착공

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중국화학공정그룹(CNCEC) 우환(五环)엔지니어링회사는 우한 Hynertech회사(武汉氢阳能源)와 10,000톤/년 액상수소 저장 프로젝트 EPC 총도급 계약을 체결하였다. 이는 세계 최초의 대규모 산업화 상온상압 액상수소 저장 재료 생산 장치의 건설 프로젝트가 본격 가동되었음을 의미한다. 해당 프로젝트는 액상유기수소운반체(LOHC) 수소 저장 특허 기술을 이용하여 기존의 수소 에너지 산업이 직면한 저장, 운송, 응용 등 분야의 저안전성 및 고비용 문제점 효과적으로 해결하고 세계 앞선 수준을 보여줄 전망이다. 수소 에너지 개발은 중국에서 전성기를 맞이하고 있으며 중앙 및 지방 정부의 적극적인 지원을 받고 있다. 그러나 수소 에너지 산업의 기술적 어려움으로 인해 대규모 저비용 수소의 제조, 저장, 운송 및 응용은 심각한 제한을 받고 있다. 우환엔지니어링회사는 고형폐기물 가스화 수소제조, 석탄 수소제조, 천연가스 수소제조 및 바이오매스 수소제조 등 분야의 풍부한 엔지니어링 관리 경험과 기술 우위를 이용하여 수소 에너지 개발 및 응용 분야의 로드맵을 그렸다. 2017년에 우한 Hynertech회사와 전략적 협력 파트너십을 체결하여 상온상압 유기액상수소 저장재료 기술에 대한 공동 연구를 전개하고 실질적인 성과를 이루었다. 세계 최초의 1,000톤급 상온상압 유기액상수소 저장재료 시험 장치를 개발하였고 수소 첨가/탈수소 촉매제 생산라인도 이미 가동 중이다. 또한, 첫 번째 중형액상수소저장 수소 첨가(수소 오일) 테스트 장치가 건설 중이며 부설 수소 첨가 및 탈수소 설비 제조 공장도 준비 중이다.

글로벌 황막화 위험 평가시스템 구축

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란저우대학교 시부(西部)생태안전협력혁신센터 황젠핑(黃建平) 연구팀은 5년간 노력 끝에 위성원격데이터 및 지상관측데이터 기반 글로벌 황막화 취약성 지수를 성공적으로 구축하였다. 또한 수치 시뮬레이션을 통해 미래 황막화 위험의 변화 추세를 예측하였다. 해당 지수는 전세계 범위 내 황막화 취약성 평가에 이용될 수 있어 민감지역 토지복원 및 황막화 예방퇴치 관련 정책 제정에 중요한 의미가 있다. 아울러 글로벌 황막화 예방퇴치에 과학적 근거를 제공하였다. 해당 성과는 "Land degradation & development"에 게재되었다. 황막화는 글로벌 생태환경 안전을 심각하게 위협할 뿐더러 전세계 경제발전 및 인류사회의 지속가능한 발전에도 영향을 미친다. 현재 전세계적으로 100여개 국가와 지역이 황막화 위험의 영향을 받고 있는데 그 면적은 3,600만 ㎢에 달하며 직접적 위협을 받고 있는 인구는 전세계의 6분의 1을 차지한다. 따라서 황막화 위험 평가를 통해 황막화 재해손실이 발생하기 전에 예방조치를 취해 그로 인한 손실을 줄일 수 있다. 황막화와 관련된 과정은 상대적으로 복잡하다. 기존에 학계는 황막화 평가와 관련해 대량의 연구를 수행하였는데 초기에는 대부분 지상에서 이루어진 조사를 바탕으로 특정 지역의 황막화 상황을 평가하였다. 지상 조사로 비교적 정확한 데이터를 획득할 수 있지만 연구가능한 공간적 범위가 제한적이고 대규모 황막화 모니터링시 한계에 부딪힌다. 위성원격탐사기술이 발전함에 따라 황막화 모니터링은 정량화 원격탐사 방향으로 발전하고 있다. 연구팀은 인간활동강도 지수 및 기후환경 지수를 이용해 글로벌 황막화 위험 평가시스템을 구축함과 아울러 해당 시스템으로 현재 글로벌 황막화 위험의 분포를 평가하였고 또한 미래 다양한 시나리오 하에서 글로벌 황막화 위험 변화의 특성을 예측하였다. 연구팀이 구축한 글로벌 황막화 취약성 지수는 동일 지표시스템에서 그 취약성을 매우 높음, 높음, 중간, 낮음 등 4개 등급으로 나눌 수 있다. 현재 황막화 위험이 중간, 높음, 매우 높은 지역은 각각 지구면적의 13%, 7%, 9%를 차지한다. 향후 높은 배출 상황에서 기후변화 및 인간활동의 영향으로 21세기 말에 이르러 중간 및 그 이상 등급의 황막화 위험 지역 면적이 전세계에서 차지하는 비율은 약 23% 증가할 전망이며 주로 중국의 북부지역, 아프리카, 북아메리카, 인도가 될 것으로 연구팀은 예측하였다. 대부분 지역의 황막화 위험이 기후변화 및 인간활동에서 공동 초래되는데 비추어 연구팀은 향후 황막화의 더한층 확장을 막기 위해서는 인간의 환경에 대한 직접적 교란 정도를 낮추는 동시에 상응한 기후변화 완화 정책을 펼칠 필요가 있다고 건의하였다.

고대 지층 화산회 감정의 신방법 발견

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중국과학원 칭짱(青藏)고원연구소 신생대환경 연구팀은 윈난(云南)성의 고대 지층 연구에서 "화산암-화산 응회암-퇴적암" 비교 시퀀스 구축을 통해 저온 주파수 자화율 매개변수가 화산회 포착의 효과적 지표가 되어 지층 연대 판단에 도움을 줄 수 있음을 발견했다. 연구팀은 최초로 암석 자기학적 관점에서 3,500여만 년 전 시신세 지층의 화산암, 화산 응회암 및 퇴적암을 전반적이고 체계적으로 비교 연구하였다. 저온 주파수 자화율 매개변수를 이용하여 화산회를 감정하는 방법은 샘플 전처리가 간단하고 측정이 빨라 지층 연대학의 "병목" 문제 해결에 도움을 줌으로써 칭짱고원 동남쪽 가장자리의 구조 및 고환경 진화 등 연구의 연대학 문제 해결에 기술적 지원을 제공할 수 있다. 해당 성과는 "지구물리학연구: 고체지구"에 발표되었다. 화산 폭발은 지구의 중대 지질학적 재난이지만 화산회는 지구 지질 역사 시기 고대 지층의 절대적 연령을 "진단"하는 최적의 재료이며 지층의 절대 연령 또한 지구 시스템 진화를 해독하는 핵심 코드이다. 화산회는 화산에서 분출된 작은 부스러기 입자로 구성되고 초미세 화산회 입자는 125미크론보다 작을 수 있으며 미세입자 부스러기 퇴적물과 형태학적 특성이 유사하다. 따라서 대량의 화산회 응결에 의해 형성된 화산 응회암의 작은 부분만 야외 관찰에서 식별할 수 있고 대부분의 퇴적지층 중의 화산회는 육안으로 직접 식별하기 어렵다. 고대지층의 화산회 신호를 포착하기 위하여 연구팀은 야외에서 화산회로 의심되는 샘플을 채집하여 실험실에서 화산 유리를 이용하여 식별하는 방법을 시도했다. 화산 유리는 화산 폭발에서 방출된 부스러기로, 급속 냉각 후 결정화 되지 않은 일종의 유리질 고체 입자이다. 그러나 화산 유리는 추출과 감정을 위한 실험 시간이 길고 가격이 비싸 광범위한 보급이 부적합하다. 화산 폭발 물질은 대량의 자성 광물을 함유하는데, 종종 틈새 물질 또는 내포물 형태로 화산회에 존재하고 환경에 의해 쉽게 파괴되지 않으며 일반적인 부스러기 퇴적암과 다를 수 있다. 따라서 연구팀은 편리하고 저렴한 암석 자기학 방법을 이용하여 화산회를 식별하기로 했다. 화산회를 포착하는 가장 민감하고 효과적인 암석 자기 매개변수를 찾기 위해 연구팀은 2013년부터 윈난성 젠촨(剑川) 지역과 취징(曲靖) 지역에서 고찰을 진행했다. 취징시 잔이(沾益)현의 시신세 하류와 호수 퇴적지층에서 3m 두께의 회백색 화산 응회암 층을 발견했다. 상세한 조사 연구와 샘플링을 거쳐 "화산암-화산응회암-퇴적암" 비교 시퀀스를 구축하여 지층 중 화산회를 식별하는 가장 민감하고 효과적인 암석 자기학적 매개변수를 찾아냈다. 연구팀은 시퀀스의 3종의 샘플에 대해 자성 광물의 종류, 함량 및 입자 크기 등 3개 측면에서 체계적인 암석 자기학적 매개변수 비교 연구를 수행하고 암석학, 지구화학적 방법을 결합하여 화산회의 퇴적암과 다른 가장 뚜렷한 암석 자기학적 특징을 연구했다. 연구 결과, 상기 3개 측면과 관련된 대량의 자기학적 매개변수에서 저온 주파수 자화율 매개변수가 화산암과 화산 응회암에 대량의 초미세 자성 광물을 포함했음을 나타냈고 대부분의 퇴적암은 해당 특징이 결핍했다. 따라서 저온 주파수 자화율 매개변수는 윈난성 지역 화산회를 포착하는 효과적인 지표로 사용할 수 있다. 해당 지표는 샘플의 전처리가 간단하고 측정이 신속하며 기존의 화산 유리를 이용한 식별 방법보다 실험실에서 화산회를 식별하는 효과를 크게 향상시킬 수 있다. 저온 주파수 자화율 매개변수를 이용한 화산회 감정 방법은 윈난성뿐만 아니라 기타 지역의 지질 역사 시기 고대 지층의 화산회 연대학 연구를 위한 필요한 암석 자기학적 근거를 제공하고 칭짱고원 동남쪽 가장자리의 구조와 인도 몬순 진화와 같은 중대 과학 과제를 심층 연구함에 있어서 중요한 가치가 있다.

한 방울의 물로 100개의 LED등을 밝힐 수 있는 신형 액적식 발전기 개발

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홍콩시립대학교 연구팀은 신형 액적식 발전기를 개발했다. 해당 액적 발전기는 트랜지스터와 유사한 구조를 설치하여 순간 출력 밀도를 기존의 유사 액적 발전기보다 수천 배 증가시키고 전기에너지 변환 효율을 대폭 향상시켰다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 전통 액적 발전기는 액적이 표면을 충격할 때 생기는 마찰과 정전감응을 통해 전력을 생성하지만, 표면 마찰 전하 수량의 제한으로 전기에너지 변환 효율이 비교적 낮다. 연구팀은 두 가지 핵심적인 발견을 통해 상술한 문제점을 극복했다. 1, 물방울이 장기적으로 전하를 띤 일렉트렛 재료 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 지속적으로 충격할 경우, 생성되는 표면 정전하는 포화 수준까지 지속적으로 누적된다. 2, 유사 필드 효과 트랜지스터의 독특한 구조를 개발하였다. 해당 구조는 하나의 알루미늄 전극과 하나의 표면에 PTFE 막박층을 증착한 ITO(Indium Tin Oxide) 전극으로 구성된다. 물방울이 PTFE/ITO를 충격하고 표면에서 산개할 경우, 전도성을 가진 물은 알류미늄 전극과 PTFE/ITO 전극 사이의 통로를 "연결"시켜 통전할 수 있는 완전한 회로를 형성한다. 해당 설계에 기반하여 연속적인 물방울은 PTFE상에 고밀도 표면 정전하를 축적시킨다. 아울러, 물방울이 두 전극을 연결할 때마다 PTFE에 축적된 모든 전하는 전부 방출되어 전류를 생성한다. 따라서, 순간 출력 밀도와 전기에너지 변환 효율은 모두 대폭 상승한다. 연구 결과, 한 방울의 100µl 물이 15cm 높이에서 떨어질 때, 140볼트 이상의 전압을 생성할 수 있으며 발전기가 생성하는 전기에너지는 100개의 작은 LED 등을 밝힐 수 있다. 해당 성과는 향후 선박 선체, 해안선, 심지어 우산 표면과 같은 다양한 액체와 고체 접촉 표면에 보급 장착되어 저주파의 물 역학적 에너지를 충분히 이용할 전망이다.

서북공업대학교가 거둔 2가지 중요한 성과 “Nature”자매지에 게재

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최근, 서북(西北)공업대학교 플렉시블전자연구원, 플렉시블전자재료와소자·정보화부중점실험실 황웨이(黃維) 원사 연구팀이 거둔 2가지 성과가 “Nature” 자매지에 게재됐다. 1) 황웨이 원사, 천융화(陳永華) 교수 연구팀은 지린(吉林)대학교 집적광전자국가중점실험실&재료과학·공학대학 장리쥔(張立軍) 교수와 공동으로 층상 페로브스카이트 태양전지 연구에서 획기적 성과를 거두었다. 관련 연구성과는 “Nature Photonics”에 게재됐다. 2) 황웨이 원사 연구팀은 Imperial College London, King Abdullah University of Science & Technology(KAUST)의 Thomas Anthopoulos 교수와 공동으로 유기-금속 산화물 박막 트랜지스터 연구에서 중요한 성과를 거두었다. 동 연구성과는 “Nature Electronics”에 게재됐다. 첫번째 성과는 태양전지 재료 개선이다. 페로브스카이트 재료는 직접 갭(Direct-gap), 양극성 전송, 높은 흡광계수, 낮은 엑시톤 결합에너지, 긴 캐리어(Carrier) 확산 거리 및 가용성 액체 가공 등 특성을 보유한다. 하지만 페로브스카이트 재료는 광조사, 전기장, 온도, 수중 산소 등 조건에서 매우 쉽게 분해되기에 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 심각하게 제한한다. 전통적인 3차원 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지재료와 비교하여 2차원 Ruddlesden-Popper(2DRP) 층상 페로브스카이트는 양호한 광안정성 및 열안전성을 보유하지만 구조 안전성 제한으로 그 박막 품질 및 광생성 캐리어의 분리/전송 특성이 상대적으로 부족하다.