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'칼슘'통합검색 결과 입니다. (3건)

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에너지연, 페로브스카이트 고질문제 해결…"상용화 앞당길 것"

페로브스카이트 태양전지를 상용화하는데 걸림돌이던 '짧은 수명' 문제가 해결됐다. TRL(기술성숙도)도 4단계여서, 제품화 가능성도 크다. 한국에너지기술연구원은 안세진 태양광연구단 책임연구원 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 늘릴 수 있는 신개념 촉매 공정 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 안세진 책임연구원은 "페로브스카이트의 수명 단축 주원인인 리튬 이온을 원천 제거할 수 있는 길이 열렸다"며 "페로브스카이트를 활용한 탠덤 태양전지 상용화를 앞당길 수 있을 것"으로 전망했다. 페로브스카이트는 티탄산칼슘(CaTiO₃)과 같은 결정구조를 갖는 물질이다. 빛을 효과적으로 흡수, 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 단점은 고온·고습 환경에서 수명이 급감한다. 과학기술계는 이 문제를 해결하고, 태양전지내 전기 운반 효율을 향상하기 위해 통상 리튬염과 리튬염이 잘 녹도록 돕는 첨가제(tBP)를 투입한다. 그러나 여기에도 문제는 있다. 리튬염 작용으로 첨가제가 빠져 나간 자리가 비게 되는 것. 이 틈이 태양전지를 구성하는 막 접합 부위 결함으로 작용, 결국 태양전지 수명을 떨어뜨리게 된다. 또 리튬염에서 분리된 리튬 이온이 태양전지 내부에서 무분별하게 이동하며, 태양전지 수명을 더 짧아지게 한다는 것. 해결방법은 연구생 실수로 발견됐다. 에너지연에서 함께 연구하던 손경난 학생(당시)이 실수로 니켈옥사이드라는 촉매를 산화 촉진제로 써야 하는데, 이를 필터로 제거하고 페로브스카이트 태양전지를 만든 것. 안세진 책임은 "이 때 성능과 안정성이 크게 향상되는 결과를 발견하고, 아예 실험 방향을 완전히 변경하게 됐다"며 "이때부터 첨가제를 넣지 않고 리튬 이온을 촉매째로 걸러내는 '촉매 반응 후 필터링 추출 공정'을 개발하게 됐다"고 설명했다. 안 책임은 "공정 핵심은 산화니켈(NiOx) 촉매"라며 "산화니켈 분말을 정공수송층 제조 용액에 넣으면 두 물질 사이의 반응으로 인해 산화니켈 표면이 리튬을 강하게 끌어당기는 상태로 바뀐다. 이를 활용하면 기존 공정의 단점이었던 첨가제 없이도 리튬염에서 리튬을 분리하고 산화니켈 표면에 붙일 수 있다"고 부연 설명했다. 연구진이 이 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과 85℃의 고온과 상대습도 85%의 고습 환경에서 1,000시간이 지나도 초기 효율의 95%를 유지했다. 광전변환효율도 기존에는 25.21%였으나, 이 공정으로 0.3%정도 개선됐다. 연구진은 기술성숙도(TRL)에 대해 4단계 수준인 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가 완료 단계라고 부연 설명했다. 안세진 책임연구원은 "고질적인 수명 문제를 해결함, 페로브스카이트 및 탠덤 태양전지 상용화를 앞당기는 중요한 이정표가 될 것"이라고 밝혔다. 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(IF: 14.1)'지 5월호 표지논문으로 게재됐다.

2026.10.15 17:01박희범 기자

바닷물속 이산화탄소, 딱딱한 '탄산칼슘'으로 전환 성공

KAIST 연구팀이 바닷물 속에 녹아있는 이산화탄소를 딱딱한 탄산칼슘(CaCO₃)으로 바꿔 저장하는 기술을 개발했다. 이산화탄소를 '전기화학 기반 해양 탄소 제거(e-DOC) 기술로 탄산칼슘으로 바꾸는 기술이다. 연구는 고동연 생명화학공학과 교수 연구팀과 T. 앨런 해튼 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 교수 연구팀이 진행했다. 바다는 인간이 배출한 이산화탄소의 약 30%를 흡수하는 지구 최대 탄소 저장고다. 연구팀은 바닷물에 녹아 있는 탄소 성분인 용존무기탄소(DIC)를 돌(광물) 형태로 바꿔 저장할 때 발생하는 스케일링 현상을 해결했다. 스케일링 현상은 탄산칼슘이 전극 표면에 달라붙어 장치가 막히는 현상이다. 연구팀은 전극 안에 이온만 통과시키는 막과 전기 반응을 함께 일으키는 상대전극(짝을 이루는 전극)을 동심구조(원통형)으로 내장한 중공사 전극 조립체를 개발해 스케일링 현상을 해결했다. 중공사 전극 조립체는 스테인리스강(316L) 분말을 건-습식 방사와 소결의 2단계 공정으로 가공, 제작했다. 이는 10~20μm 크기의 기공이 그물처럼 연결된 구조다. 연구팀은 "이 구조에서는 대부분의 광물이 전극 표면이 아니라 바깥쪽에서 생성된다"며 "수소 기포가 칫솔처럼 전극 표면을 계속 닦아주는 역할을 한다"고 설명했다. 연구팀은 제주 용암 해수를 이용한 실험에서 장치를 120시간 이상 안정적으로 연속 운전, 바닷물 속 용존무기탄소의 80~90%를 제거했다. 기존 기술보다 전력 소비를 최대 54% 줄였다. 또한 탄소를 제거하는 과정에서 고순도 수소(H₂)와 수산화마그네슘(Mg(OH)₂, 친환경 소재와 산업 원료로 활용되는 물질)도 함께 생산된다는 것을 확인했다. 고동연 교수는 "해양 탄소 제거 기술의 상용화를 앞당기고 탄소중립 사회 실현에 기여할 수 있을 것"으로 기대했다.

2026.08.04 20:20박희범 기자

스마트폰에 '칼슘 이온 배터리' 탑재되나

리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 기술이 잇따라 등장하는 가운데, 기존 한계를 뛰어넘는 칼슘 이온 배터리가 개발돼 주목받고 있다. IT매체 폰아레나는 칼슘 이온 배터리가 중요한 기술적 이정표를 달성했다고 최근 보도했다. 그 동안 배터리 산업은 수십 년간 양극과 전해질에 리튬을 활용해왔다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 비교적 빠른 충전 속도, 안정적인 수명을 갖춘 것이 장점이다. 하지만 리튬은 공기와 격렬히 반응하는 특성으로 인해 손상 시 발화나 폭발 위험이 존재하며, 정상 작동을 위해 좁은 온도 및 전압 범위를 요구하는 한계가 있다. 에너지 밀도 역시 일정 수준 이상 향상되기 어려운 점이 지적돼 왔다. 현재는 음극에 실리콘을 첨가하는 방식으로 저장 용량을 개선하고 있지만, 이는 기술적 한계를 늦추는 수준에 그친다. 또한 리튬은 희귀 자원으로, 채굴 과정에서 정치·지정학적 리스크가 발생한다는 문제도 안고 있다. 칼슘 이온 배터리의 특징 이에 비해 칼슘 이온 배터리는 지구 지각에서 다섯 번째로 풍부한 원소인 칼슘을 활용한다. 칼슘 금속은 높은 전도성과 약 980도의 높은 녹는 점을 지녀 소재 안정성이 뛰어나며, 무독성으로 환경 친화적인 장점도 갖는다. 이론적으로 에너지 밀도 역시 리튬 이온 배터리를 능가한다. 현재 상용 최고 수준인 실리콘-탄소 기반 리튬 이온 배터리의 약 2800Wh/L 대비, 칼슘 이온 배터리는 약 3202Wh/L에 달하는 것으로 알려졌다. 다만 기술적 과제도 존재한다. 칼슘 기반 전해질은 충•방전 과정에서 전극이 용해되는 문제가 있어 배터리 수명을 저하시키는 요인으로 작용한다. 홍콩과학기술대학교 김윤섭 교수가 이끄는 연구진은 이온 전달 효율을 높이고 마모를 줄인 '준고체 칼슘 전해질'을 개발하는 데 성공했다. 해당 전해질은 이온 이동 효율을 개선하는 동시에 배터리 열화를 억제해, 저전류 조건에서 리튬 이온 배터리와 유사한 수준의 에너지 밀도를 구현한 것으로 확인됐다. 특히 이번 연구에서는 배터리 용량의 74%를 유지하면서 1000회 충•방전 주기를 달성했다. 이는 일부 리튬 이온 배터리보다 우수한 수준이다. 또한 전압을 3.6V까지 높일 경우 에너지 밀도는 약 1800Wh/L 수준까지 증가하는 것으로 확인됐다. 스마트폰 적용 가능성은? 다만 스마트폰 등 소형 전자기기에 적용하기까지는 시간이 필요할 전망이다. 칼슘 이온은 리튬 이온보다 크기가 커 이동 속도가 느려 충전 속도가 상대적으로 느리며, 관련 채굴·정제 및 생산 인프라 역시 아직 충분히 구축되지 않은 상태다. 이에 따라 상용화까지는 수년이 소요될 것으로 예상된다. 그럼에도 연구는 꾸준히 이어지고 있다. 2024년 중국 푸단대 연구진은 스마트워치와 피트니스 밴드, 스마트폰 등 웨어러블 기기에 적용 가능한 칼슘-산소 배터리를 개발해 학술지 네이처에 발표한 바 있다. 업계에서는 칼슘 이온 배터리가 장기적으로 리튬 이온 배터리를 대체할 유력한 후보로 자리 잡을 수 있을지 주목하고 있다.

2026.04.08 14:35이정현 미디어연구소

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