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2012. 3. 1. 00:00 대덕밸리과학소식/KISTI

KISTI(한국과학기술정보연구원)이 교육과학기술부와 공동으로 그린카, 대체수자원, 그린IT, 이차전지, 태양전지 등 녹색기술 5개 분야의 선진국 기술수준 및 기술개발 동향을 파악할 수 있는 녹색기술 지식맵을 작성했습니다.

이번 지식맵은 산업시장 전망, 기술수준, 국제협력 관계, 핵심연구 분야 등을 정량적으로 분석하고 주요 선도기업의 기술개발 동향을 제시함으로써 기업들이 연구개발 및 기술 상용화 단계에 적극 활용하여 미래의 불확실성과 위험에 대응할 수 있도록 마련됐습니다.

KISTI가 5개 분야의 국가경쟁력, 특허보유 수준, 기술역량을 종합적으로 검토한 결과에 따르면 미국과 일본은 자본 경쟁력과 무형자본 경쟁력에서 앞서고, 한국은 GDP 규모에 비해 R&D 투자 비율과 특허수준이 상대적으로 높았습니다.

또 특허활동지수 변화를 통한 R&D 현황에서 그린카 분야는 독일, 프랑스 및 이탈리아, 대체수자원 분야는 영국과 이탈리아, 그린 IT 분야는 캐나다와 미국, 이차전지 분야는 중국과 한국이 강세인 것으로 나타났습니다.

[ 녹색기술의 분야별 종합 분석 결과 ]

국가

자본 경쟁력

무형자본 경쟁력

특허수준(15점 만점)

GDP

(백만$)

R&D/GDP

(%)

연평균 출원수

그린카

대체

수자원

그린 IT

이차전지

태양전지

캐나다

1,116,252

1.98

39.6

9.62

7.88

8.86

10.74

8.55

중국

2,855,031

1.43

68.5

8.66

8.70

8.56

10.03

9.01

독일

2,755,078

2.58

174.9

9.83

10.39

9.89

10.58

10.23

프랑스

2,087,013

2.13

81.5

9.80

9.41

9.53

10.80

10.14

영국

2,112,343

1.77

40.0

10.05

9.53

9.17

10.80

10.05

이탈리아

1,716,815

1.16

13.0

9.70

8.61

8.85

10.71

8.96

일본

4,565,425

3.33

2312.3

9.55

9.06

9.41

10.13

9.47

한국

782,314

2.92

1062.3

9.25

9.08

9.34

10.89

9.92

미국

12,393,136

2.63

917.3

9.37

8.82

9.13

10.24

9.39

 ① 그린카
 ㅇ 하이브리드자동차는 일본, 클린디젤자동차는 유럽 중심으로 기술력이 우세하고, 전기자동차는 일본과 미국이, 연료전지자동차는 미국이 기술적 우위에 있음
 ㅇ 단기적으로 일본, 유럽과 경쟁할 수 있는 하이브리드자동차, 클린디젤자동차 개발에 집중하는 한편, 중장기적으로는 전기자동차 및 연료전지자동차 개발에 주력하는 것이 바람직함

 ② 대체수자원
 ㅇ 미국, 일본, 독일, 이탈리아 등의 선도 기업이 기술 및 시장을 주도하고 있으며, 향후 중국 기업이 강력한 경쟁자가 될 가능성이 있음

 ㅇ 국내 기업의 취약 영역인 멤브레인, 필터, 분리막 등의 핵심소재 부분과 시스템 엔지니어링 및 운영기술 부분에 대한 기업의 연구개발 및 국가 R&D 지원을 통해 경쟁력 확보가 시급

 ③ 그린 IT
 ㅇ 향후 서비스 시스템으로의 확장은 물론 다른 기술과의 융합이 촉진될 것으로 전망
 ㅇ 전력공급의 문제를 해결하기 위해 에너지절감 및 에너지관리와 관련된 정부차원의 지원 및 에너지저장장치 분야와 연동한 사업아이템의 출현이 예상됨
 ㅇ 국가마다 전력감축과 고효율화를 위한 추진방향이 다른 것으로 추정되며, 국내는 클라우드 컴퓨팅 분야에서 고속정보통신 인프라를 활용한 상호 연계나 망제어 부분이 발전할 것으로 전망됨

 ④ 이차전지
 ㅇ 에너지저장시스템에 대한 높아지는 관심과 함께 중대형 이차전지 수요가 증가하면서 이차전지 시장 점유율이 높은 국내 기업에게 기회가 되고 있음
 ㅇ 국내 기업은 우수한 제조기술력에 비해 핵심소재?부품 기술력이 취약한 편이나, 신소재 개발 및 소재 특성에 따라 중소기업에서 빠른 시간에 진출 가능한 분야이므로, 이에 대한 R&D 지원이 필요함 

 ⑤ 태양전지
 ㅇ 대기업의 수직계열화가 진행되면서 대기업을 중심으로 시장전환이 이루어지고 있음
 ㅇ 시장이 커지고 있는 박막 태양전지와, 염료감응 및 유기 등 3세대 태양전지의 상용화를 위한 기술 개발이 시급함
 ㅇ 국내 기업의 취약한 부분인 부품?장비 분야를 육성하기 위해 반도체 디스플레이 산업 발전 사이클에서 힌트를 얻어 중소기업과 대기업의 협력체제 구축을 통한 중견 장비기업의 육성이 필요함

<녹색기술 지식맵 분야별 주요 내용>

★ 그린카
 ㅇ 전문가 의견과 리서치 자료를 기반으로 개괄적으로 살펴본 결과, 일본은 하이브리드자동차(HEV), 유럽은 클린디젤자동차(CDV) 중심으로 기술력이 우세한 것으로 파악되었으며, 전기자동차(EV)는 일본과 미국이, 연료전지자동차(FCEV)는 미국이 기술적 우위에 있는 것으로 파악됨
 ㅇ 단기적으로 일본, 유럽과 경쟁할 수 있는 하이브리드자동차, 클린디젤자동차 개발에 집중하는 한편, 중장기적으로는 전기자동차 및 연료전지자동차 개발에 주력하는 것이 바람직함
   * 국내 클린디젤자동차 및 하이브리드자동차 조립 능력은 선진기술 대비 비슷한 수준이지만, 핵심부품 기술력이 취약함
 ㅇ 독일, 프랑스, 캐나다, 일본의 특허수준이 높게 나타났으며, 클린디젤자동차는 유럽이 강세이고, 하이브리드자동차와 전기자동차는 일본의 수준이 높음
   * 한국의 경우 클린디젤자동차와 연료전지자동차 분야는 기술수준이 다소 낮으나 하이브리드자동차 분야는 매우 높은 편이며, 전기자동차 분야는 아직까지는 다소 낮은 편으로 파악되었고, 클린디젤자동차 분야에서 기술수준 향상을 위해 기술 선도국인 유럽 기업과의 협력이 필요한 것으로 보임

★  대체수자원
 ㅇ 미국, 일본, 독일, 이탈리아 등의 선도 기업이 기술 및 시장을 주도하고 있으며, 물 부족 국가 중에서는 이스라엘과 남아프리카공화국이 시장 활동은 약하지만, 자국내에서 필요에 의해 R&D 활동을 비교적 활발히 진행하고 있는 것으로 나타남
   * 세계적 물(Water) 기업의 중국 현지 투자 및 사업화가 활발히 진행되고 있고, 중국내 물 기업 수의 증가가 빨라 향후 대체수자원 분야에서 중국 기업이 강력한 경쟁자가 될 가능성이 있음
 ㅇ 담수화와 재이용 분야의 성장으로 이 분야에서 사용되는 수처리 기술인 멤브레인 시장이 성장할 것으로 예상되며, 시장은 과점에서 다극경쟁으로 변화할 것으로 보임
   * 플랜트 시공 부분의 기술력은 우수하나 국내 기업의 취약 영역인 멤브레인, 필터, 분리막 등의 핵심소재 부분과 시스템 엔지니어링 및 운영기술 부분에 대한 기업의 연구개발 및 국가 R&D 지원을 통해 경쟁력 확보가 시급함
   ** 핵심 부품이나 소재 분야의 기술력은 해외 기술에 의존하고 있는 반면 중소기업에서 참여 가능한 분야이기도 하므로, 이에 대한 R&D 지원을 통해 대형 플랜트 기업의 국내 파트너 기업을 육성할 필요가 있음

★ 그린 IT
 ㅇ 해외 그린 IT 시장과 리더 기업들을 벤치마킹했을 때, 향후에는 서비스 시스템으로 확장, 그리고 다른 기술과의 융합이 촉진될 것으로 전망
 ㅇ 최근 대규모 정전사태와 같이 전력공급의 문제를 해결하기 위해 정부차원에서 에너지절감 및 에너지관리와 관련된 IT기술을 지원할 가능성과 필요성이 증가하고 있고, 다른 대안으로서 에너지저장장치 분야와 연동한 사업아이템들의 출현이 예상됨
   * 특허수준은 대체로 양호한 편이지만 분야별 선도국과의 격차를 줄이기 위한 R&D 지원이 필요하며, 특히, 그린하우스/에코시스템 분야의 경우 중국과의 차이가 별로 없어 유럽국과의 협력을 통해 추격에 대비해야 할 것으로 보임
   ** 전력망 곳곳에 전력저장장치 및 전력전자 스위치를 설치하여 수요의 변동성에 대처하고, 유무효전력을 제어 관리하는 시스템의 기능을 강화시키는 기술이 최근의 대규모 정전사태로 인해 한동안은 주목받을 것으로 전망됨
 ㅇ 2004년을 전후로 특허활동을 비교해 본 결과, 이산화탄소 배출량이 가장 많은 중국은 절전기기 및 시스템 분야가 증가하였으며, 미국은 클라우드 컴퓨팅, 일본은 조명제어시스템과 에코하우스 분야가 증가한 것으로 조사되어, 국가마다 전력감축과 고효율화를 위해 추진하는 방향이 다른 것으로 추정됨
   * 클라우드 컴퓨팅 분야는 국내 고속정보통신 인프라를 활용하여 발전이 활발할 것으로 추정되나, 통신사들과 데이터센터(IDC) 등 상호연계나 망제어 부분에서 수익발생아이템들이 존재할 것으로 전망

★ 이차전지
 ㅇ 대기업의 투자로 이차전지 제조기술력은 우수하나, 핵심소재?부품 기술력은 취약함
   * NaS 전지, RFB는 리튬이온전지에 비해 제조 및 원천 기술력이 미흡함
 ㅇ 이차전지 분야에서 특허활동지수 변화를 통한 R&D 현황을 살펴보면, 이차전지 및 그의 제조 기술은 이탈리아가, 발전요소 이외 부분의 세부구조 기술은 중국과 한국이, RFB/NaS 전지 분야는 캐나다와 영국이 강세임
 ㅇ 그린카의 핵심은 배터리 기술로서 이차전지 기술이 필요하며, 에너지저장시스템에 대한 높아지는 관심과 함께 중대형 이차전지 수요가 증가하면서 이차전지 시장 점유율이 높은 국내 기업에게 기회가 되고 있음
 ㅇ 우리나라의 경우 세계 최고 수준의 전지 제조기술에 비해 부품?소재 기술은 매우 취약한 편이나 이러한 후방산업 영역이 신소재 개발 및 소재의 특성에 따라 중소기업에서 빠른 시간에 진출 가능한 분야이며, 전방산업의 경우 Mobile IT 영역에서 중소기업의 참여가 가능함

★ 태양전지
 ㅇ 시장은 초기 중소기업 위주로 형성되었으나, 대기업의 진출로 인해 대기업 중심으로 시장전환이 이루어지고 있음
   * 실리콘 태양전지는 대기업의 활발한 진출로 인해 선진국과의 격차가 좁혀질 것으로 예상됨
 ㅇ 시장이 커지고 있는 박막 태양전지와, 염료감응 및 유기 등 3세대 태양전지의 상용화를 위한 기술 개발이 시급함
 ㅇ 부품?장비 분야를 육성하기 위해 반도체 디스플레이 산업 발전 사이클에서 힌트를 얻어 중소기업과 대기업의 협력체제 구축이 필요함
   * 염료감응, 유기 태양전지 분야의 그간의 한국의 성과는 대학, 연구소 위주로 전개되었으며, 향후 혁신형 벤처기업을 비롯한 중소기업의 원천기술 개발 및 대학이나 연구소 연구 성과의 양산화 기술 개발로 확장 전개될 것으로 기대됨
 ㅇ 한국은 유기 태양전지와 염료감응 태양전지가 상대적으로 특허활동도가 높고, 미국은 실리콘 박막 태양전지, CIGS 태양전지에 집중하고 있음
   * Applied Materials와 LG전자는 삼극특허비율과 최신특허비율이 평균 이상으로 글로벌 경쟁력과 최신기술력을 보유한 것으로 판단되며, 동진쎄미켐도 최신특허비율이 매우 높아 최근 연구개발이 활발한 것으로 나타남


posted by 글쓴이 과학이야기

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태양전지 시장은 현재 중국과 유럽 업체들이 주도하는 결정형 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있습니다.

결정형 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정적인 성능을 갖고 있지만, 제조비용이 높은 단점이 있습니다.

이에 CIGS(Cu, In,Ga, Se2)  박막형 태양전지가 재료 소모가 적고 공정이 간단하며, 비용이 적게 들어 차세대 태양전지로 각광받고 있지만, 낮은 효율과 이를 해결하기 위한 제조 공정의 최적화 문제가 남아있습니다.

최근 국내 대기업들이 CIGS 박막 태양전지의 상용화를 시도하고 있지만 핵심 제조 기술은 선진국에 의존하고 있는 실정입니다.

이는 공정 상태에 따른 박막의 성분 비율 등에 대한 분석이 어려워 기존의 제조 공정을 그대로 따라하는 수준을 벗어나지 못하고 있기 때문입니다.


□ KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 김경중 박사가 박막 태양전지 제작 공정 시 필수 요소지만 분석 난제 중 하나였던 '다성분 합금인 CIGS 박막의 조성'을 정확하게 분석하는 기술을 개발했습니다.

CIGS는 광전변환 효율이 높고 저가격·고효율을 실현할 수 있어 박막 태양전지 재료 중 최적의 대안으로 평가받고 있습니다.

현재 실험실 수준에서 측정된 최고 효율은 20% 이상이며, 대면적의 상용 전지로 개발되면 8~14%의 효율이 예상됩니다.

연구팀은 이차이온질량분석법(SIMS)을 이용하여 CIGS 박막의 구성 원소인 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 상대적인 비율 뿐 아니라 깊이에 따른 분포까지 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

이 기술은 지금까지 분석이 어려웠던 CIGS 박막의 조성을 인증표준물질을 이용하여 정확하게 분석하는 일종의 표준화 기술입니다.

이번 분석기술 개발은 공정 조건 변화에 따른 CIGS 박막의 조성 및 깊이분포를 분석하고 모니터링 하여 공정을 최적화함으로써 태양전지 제조에 대한 이력관리를 가능하게 해 국내 박막 태양전지 산업의 새로운 원천기술 개발을 촉진할 전망입니다.

□ 이번 기술 개발에는 ETRI 박막태양광기술연구팀의 CIGS 박막 제작 기술과 KRISS 분석화학센터의 정량 분석 기술이 매우 중요한 역할을 했습니다.

균질한 CIGS 박막을 제작하고 그 조성을 인증함으로써 대표적인 깊이분포도 분석법인 이차이온질량분석법에 의한 조성 분석 결과의 신뢰성을 확인했습니다.

앞으로 연구팀은 다성분 합금박막의 조성 및 깊이분포도 분석 절차에 대한 국제표준을 제정하고 인증표준물질을 개발해 산업체에 보급할 방침입니다.

또한 세계 표준기관이 참여하는 국제도량형위원회(BIPM) 표면분석 분야의 국제비교(KC: Key Comparision)를 주도하여 KRISS가 CIGS 박막 조성 분석 분야에서 국제사회의 선도적 위치를 지킬 계획입니다.

이차이온질량분석기를 활용해 CIGS 박막의 깊이분포 등을 측정하는 모습

 용  어  설  명

CIGS :
Cu(In,Ga)Se2 박막으로 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)이 각각 2:1:1:4의 비율로 이루어진 결정성 박막.
CIGS는 4가지 원소 화합물의 첫 스펠링을 조합한 단어로 이를 기판에 증착, 빛을 흡수하여 전기를 생산함.
유리기판 위에 전극 역할을 하는 금속막을 깔고 그 위에 CIGS 박막을 증착한 후 광흡수층·버퍼층·투명전극·반사방지막 등을 배치하고 그 위에 전면전극을 배치함으로써 CIGS 박막 태양전지가 완성됨

이차이온질량분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) :
충분한 에너지를 가진 일차 이온을 고체 시료에 조사하면 시료 표면에서 입자들이 나옴. 이 중에서 이온화된 성분인 이차이온의 질량을 분석해 표면에 존재하는 원소의 종류, 상대적인 조성 및 화학 상태 등을 알아낼 수 있는 대표적인 표면분석 방법임. 이 방법을 활용해 특정 원소의 깊이에 따른 분포도를 측정할 수 있음.

posted by 글쓴이 과학이야기

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형성된 나노구조체: 식각 공정을 이용해 구조체의 밀도 조절이 가능하다. 나노구조체 밀도는 1 cm2 당 각각 1200억 개(오른쪽), 720억 개(왼쪽)

나노구조체의 크기는 머리카락 지름의 1000분의 1정인 1㎛(마이크로미터) 이하입니다.


때문에 동일한 부피에 나노구조체를 형성하면 표면적이 획기적으로 증가하는 현상이 나타납니다.

투명전도층이 증착된 나노구조체: 투명전도층은 빛의 투과도와 전기적 전도성이 우수하다. 이러한 투명전도물질과 나노구조체간의 접합을 통해 새로운 광전소자를 개발했다. 빛 굴절계수가 작은 투명 전도물질은 빛의 반사도를 낮추는 효과도 지닌다.

광전소자는 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로, 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 근간이 되고 있습니다.


그러나 현재까지 개발된 광전소자는 크기가 작은 나노구조체에 일일이 전류를 통하게 해야 하는 등 미세하고 까다로운 공정이 필요해 상용화에 어려움이 있었습니다.

그런데 이 같은 돌기 형상의 나노구조체를 활용해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 차세대 광전소자가 개발됐습니다.

한국기계연구원 나노역학연구실 김준동 박사팀은 돌기 형상의 대면적 나노구조체에 고성능 투명전극을 입혀 입사광 이용면적을 기존 평판 형태보다 10만 배 이상 획기적으로 늘린 광전소자를 개발했습니다.

나노구조체를 이용한 광전소자 모식도


연구팀이 새로 개발된 광전소자는 전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입혀 제작비용을 20~30% 절감해 대면적 나노구조체 공정에 활용할 수 있게 됐습니다.

이로 인해 향후 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 새 장이 열릴 것으로 기대되고 있습니다.

나노구조체의 표면적 증가 효과. 나노구조체의 밀도가 증가하면 전류값이 비례해 증가한다. 나노구조체 소자는 일반기판 소자보다 전류를 32배까지 늘인다.

이번 연구는 최준혁 박사팀과 한양대 이정호 교수팀의 협력을 통해 진행됐습니다.

이 기술은 현재 국내특허가 출원됐고, 이번 연구의 결과는 최근 미국의 유명 저널 ‘Applied Physics Letters’에 발표됐다.


연구팀은 이번 기술을 활용해 태양전지의 효율성 향상 연구도 진행한다고 합니다.

 

전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입히는 실험을 진행하고 있는 한국기계연구원 김준동 박사.

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한국에너지기술연구원은 태양광연구단 송진수 책임연구원과 연료전지연구단 신동열 책임연구원을 '전문연구위원'으로 선정했습니다.
 

송진수 박사

신동렬 박사


송진수 박사는 그동안 태양전지분야에서 우수한 연구 성과를 창출해왔으며, 에너지 환경문제에 공동 대처하기 위해 동북아 협력체제를 구축하는 등 다자간 국제협력을 통한 기술협력과 시장 창출을 위해 다양한 노력을 했습니다.

신동열 박사는 연료전지 상용화 기술개발 및 국산화를 이끌어왔으며, 국내 최초의 kW급 평관형(Flat tube) 고체산화물연료전지(SOFC: Solid oxide fuel cell) 스택 요소기술과 발전시스템 핵심부품을 개발하여 발전용 연료전지 실용화 기반을 확립했습니다.
  
이번에 전문연구위원으로 선정된 2명의 연구원은 탁월하고 공적이 우수한 연구업적으로 연구원 발전에 계속적으로 기여할 수 있다고 인정됨에 따라 정년 퇴직 후 5년간 연구활동에 참여할 수 있습니다.


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한국기계연구원 김동수 박사(선임연구본부장)와 이학주 박사(나노역학연구실 책임연구원)가  교육과학기술부와 한국과학기술기획평가원(KISTEP)이 주관하는 ‘국가연구개발사업 우수성과 100선’에 선정됐습니다.

올 해 우수성과 100선은 지난 2009년 국가연구개발사업 성과를 대상으로 총 16개 부·청에서 추천한 328건 가운데 선정위원회의 심층 평가를 거쳐 선정됐습니다.

  
‘기계·소재’ 분야에서는 총 17개의 우수성과가 선정됐습니다.
이 가운데 김동수 박사의 ‘나노박막 태양전지 생산용 롤(Roll) 프린팅 기술’과 이학주 박사의 ‘10㎚급 나노측정 원천기술’로 각각 우수성과에 꼽혔습니다.

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