보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
연구책임자 |
하헌필
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2014-06 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201600017425 |
과제고유번호 |
1415129762 |
사업명 |
소재부품기술개발 |
DB 구축일자 |
2017-09-20
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키워드 |
하이브리드 메탈산화물.백금저감.정전분무.촉매.귀금속분산.소결방지.표면안정성.하이브리드 촉매.정전분무 직접 코팅.금속 다공체 촉매 코팅.sintering.anchoring.MEA.
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초록
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1세부과제- 지속가능형 고효율 촉매 소재 제조기술
최종목표
가솔린 자동차 배기가스 정화용 촉매에 사용는 백금의 사용량을 상용대비 50% 절감 혹은 대체하는 촉매제조에 필요한 원천 기술개발
개발내용 및 결과
양자화학 계산에 의하여 촉매상에서 귀금속 활성물질을 고착화 시킬기 위하여 제 3의 물질에 의한 화학적 고착화 방안을 도출하고 촉매 monolith를 제작 가속열화 실험을 통하여 촉매의 효율 내구성 등을 검증 하였다.
기술개발 배경
귀금속의 수요 공급 불균형에 따른 귀금속 가격의
1세부과제- 지속가능형 고효율 촉매 소재 제조기술
최종목표
가솔린 자동차 배기가스 정화용 촉매에 사용는 백금의 사용량을 상용대비 50% 절감 혹은 대체하는 촉매제조에 필요한 원천 기술개발
개발내용 및 결과
양자화학 계산에 의하여 촉매상에서 귀금속 활성물질을 고착화 시킬기 위하여 제 3의 물질에 의한 화학적 고착화 방안을 도출하고 촉매 monolith를 제작 가속열화 실험을 통하여 촉매의 효율 내구성 등을 검증 하였다.
기술개발 배경
귀금속의 수요 공급 불균형에 따른 귀금속 가격의 폭등 및 미래 수요를 대처하기 위하여 귀금속 저감 및 대체 방안을 연구 하였다.
핵심개발 기술의 의의
과거 귀금속의 사용량 저감을 위해서는 Edisonian approach에 의하여 신촉매를 개발하여 왔으나, 본 촉매의 개발을 위한 양자화학 계산에 의한 촉매설계 기법에 의하여 다양한 환경에서의 촉매설계 기법의 토대를 제시하였고 귀금속 사용량 저감에 따른 촉매 가격 경쟁력을 기반으로 세계시장을 선도할 수 있다.
적용 분야
가솔린 자동차용 삼원촉매 혹은 귀금속 사용 환경촉매
2세부과제- 하이브리드 나노 촉매 직접 코팅 소재 기술
최종목표
백금이 담지된 하이브리드 나노 촉매 분말 및 콜로이드 제조 후 지지체 표면에 직접 균질 코팅 및 고착화를 통한 백금 저감 촉매 소재 원천 기술 확보
ㅇ 백금 촉매 담지용 지지체 나노 복합 분말 설계 및 제조 기술 개발
ㅇ 하이브리드 나노 백금 촉매 분말 제조 및 콜로이드화 기술 개발
ㅇ 정전분무 공정을 이용한 지지체 표면 직접 균질 코팅 기술
ㅇ 촉매분말과 지지체 저온 고착화 기술 및 특성 평가 기술 개발
개발내용 및 결과
○ 금속/세라믹 코어 분말 제조기술 개발
- 액중 전기선 폭발 공정에 의한 100 nm 이하의 단일/합금계 코어분말 제조 기술 개발
- 분무열분해 공정을 이용한 최소 20 nm 급 세라믹계 코어분말 제조 기술 개발
○ 하이브리드 나노 촉매 분말 제조 기술 개발
- 액중 전기선 폭발 공정을 Pt/Fe, Pt/Ni, Pt/Fe-Cr-Al, Pt/Ni-Cr계 하이브리드 나노 촉매 제조 기술 개발
- 분무열분해 공정을 이용한 Pt/SiO2, Pt/Al2O3, Pt/FeAl2O4, Pt/CeO2 하이브리드 나노 촉매 제조 기술 개발
- 최소 6nm 급 Pt/세라믹계 하이브리드 촉매 제조 기술 개발
- CO ΔT50이 약 9℃ 이하인 Pt/FeAl2O4 하이브리드 촉매 분말 제조
○ 정전분무 공정을 이용한 지지체 표면 균질 코팅 기술 개발
- Groove 및 multi 노즐을 이용한 병렬형 정전분무 시스템 구축
- 180 x 180 x 1.9 mm 크기 금속 다공체 표면 직접 코팅 기술 개발
- 지지체 표면 코팅 후 분말 부착력 95% 이상의 고착화 기술 개발
○ 하이브리드 촉매 실차 실험
- 하이브리드 나노 촉매 코팅된 금속 다공체를 이용한 실차 실험
- CVS-75 mode로 Chassis Dynamo 시험 결과, HC는 93.86%, CO는 94.09%의 저감율을 나타냄.
기술개발 배경
ㅇ 최근 전 세계적으로 지구온난화 방지와 환경보호가 이슈화 되고 있는 가운데, 자동차의 배기가스 관련 규제가 점차 강화되면서, 배기가스 정화용 다공체(담체)와 정화용 촉매에 대하여 촉매의 효율을 높이거나 사용량을 줄이는 등의 필요성이 증대되고 있었음. 또한 백금의 경우 배기가스 정화 촉매의 핵심 소재로 점차 백금의 사용량이 증가할 것으로 예상되지만, 백금의 희소성 및 자원의 편중성(남아프리카 공화국이 백금 자원 보유량의 88.5% 차지)으로 인해 국내의 경우 백금의 수급 불안정성에 노출되어 있는 실정임.
ㅇ 배기가스 규제 강화에 따른 백금 소요량의 증가와 더불어 백금의 수급 불안정을 해소하기 위해서는 자동차 촉매에 사용되는 백금의 사용량을 저감할 수 있는 원천소재기술의 확보가 자동차 산업을 견인할 수 있는 핵심기술로 필요함.
핵심개발 기술의 의의
ㅇ 배기가스 정화용 필터에 적용 가능한 금속 다공체의 표면에 백금이 고분산 되어 있는 하이브리드 촉매소재를 제조하여 정전 분무 코팅 공정으로 다공체 표면에 직접 코팅하여 백금의 사용량을 저감하는 기술을 개발함.
적용 분야
ㅇ 자동차, 선박, 발전 등 배기가스 정화용 금속 다공체 촉매코팅 소재
ㅇ 연료전지, 석유화학 등 에너지 산업용 금속 다공체 촉매코팅 소재
3세부과제 Coat-on-demand 공정을 통한 3차원 구조제어 소재 기술
제 1 장 서론
제 1 절 과제의 개요
가. 기술개발의 배경
화석연료를 기저 에너지로 사용하는 탄소사회가 화석연료 자체의 유한성과 기후변화로 더 이상 지속가능한 성장을 견인할 수 없으로 그림 1에 제시한 바와 같이 향후에는 성장과 환경이 공존할 수 있는 신재생에너지 기반 수소사회로의 전환이 요구된다. 수소사회는 에너지 저장과 이동매체로써 수소를 이용하며 수소의 발생과 저장 및 활용이라는 3개의 축이 지탱하는 사회이다.
고분자 전해질 연료전지는 수소를 이용하여 전기를 발생하는 디바이스의 일종으로 타 연료전지에 비해서 상대적으로 높은 효율을 나타내므로 수송용, 가정용, 휴대용 분야에서 연구되어지고 있다. 특히, 소형 수송용 자동차분야에서는 고분자 전해질 연료전지를 주 발전원으로 적용하고 있다. Moore의 신기술 수명주기와 Gatner의 기술 하이퍼 곡선은 신기술의 시장진입과 성장에 있어 주요한 시사점을 제시한다. 연료전지 기술은 기존의 화석연료를 이용한 발전과 수송기기에 대비되는 새로운 기술이며, 이차전지 기술과 경쟁구도를 형성하고 있다. 결론적으로, 기술이 시장에 선택되고 성장하기 위해서는 기술의 전 과정이 시장참여자의 단계별 요구를 충족하는 형태로 개발되어야 한다. Moore는 시장참여자 (psycho-graphics)가 크게 혁신가 (innovators), 초기 진입자 (early adaptors), 초기 대규모 진입자 (early majority), 후기 대규모 진입자 (late majority), 그리고 저항자 (laggards)로 구분되고 서로 다른 가치판단의 기준을 가지고 기술을 평가하며, 시장진출시점의 차이를 유발하게 된다고 한다. 기술이 다른 참여군에 선택되는 과정에서 시간의 틈이 발생하게 되며, 특히, 초기 진입자 (early adaptors)에서 초기 대규모 진입자 (early majority)가 진입하는 전이과정이 신기술의 중요한 간극 (chasm)이 되며, 대부분의 기술이 이 간극을 극복하지 못하고 소멸된다고 지적한다. 기술의 가치에 초점을 맞추는 초기 시장 초기 진입자와 실용성을 강조하는 초기 대규모 참여자 사이의 간극을 극복하는 방법은 실용성 측면에서 기술의 혁신성을 증명하는 것이다.
고분자 전해질 연료전지 기술은 이미 기술의 타당성이 검증되었으나 시장의 성장이 지연되는 부분은 실제 사업화와 관련한 측면에서의 기술적인 한계에 대한 시장의 확신을 주지 못하기 때문이다. 대표적인 부분이 수소 연료 가격과 인프라 (연료의 공급측면), 연료전지의 성능과 경제성 (연료전지 공급측면), 그리고, 경쟁기술의 기술혁신 (내연기관 연비개선과 전기자동차)이 있다. 연료가격과 인프라는 수소발생의 가격경쟁력 및 저장매체의 안정성과 관련한 기술이 성과를 내고 있고, 연료전지의 성능개선을 통해서 경쟁기술과의 경쟁력을 높이고 있다. 반면에, 고분자 전해질 연료전지의 가격과 내구성 및 대량생산기술에 대해서는 많은 기술개발이 필요하며, 이 관점에서 대량생산기술에 기초한 경제성 확보와 내구성 개선이 필요하다. 경제성 확보는 결과적으로 차량의 생산대수가 증가하면 산업생태의 투자와 기술누적을 통해서 개선될 수 있는 여지가 높다. 그럼에도, 고분자 전해질 연료전지는 백금을 촉매로 이용하기 때문에 가격 저감이 백금사용량에 결정되며, 가격의 안정성 측면에서 불확실성이 높다. 그림 2의 자원 유한성은 DoE의 기술로드맵과 세계 자동차 생산추이를 바탕으로 연료전지 자동차 백금사용량을 유추한 결과이다. 백금 자원의 보유량과 세계 생산현황을 고려할 때 백금 촉매의 공급 불확실성이 높다는 것을 알 수 있다. 이러한 공급 불안정 요인은 직접적으로 고분자 전해질 연료전지 파워트레인의 가격을 높이게 되는 요인이라는 것을 그림 2의 차량 가격경쟁력 계산에서 알 수 있다. 궁극적으로, 풍부한 자원을 가지는 값싼 대체소재 촉매가 연료전지 시장진출의 결정적인 인자가 될 수 있으나, 그림2의 현 백금대체촉매의 기술한계성에서 제시된 바와 같이 백금 대체 소재의 기술이 아직 산업에 미치는 파급효과가 낮다. 그림 3에는 대표적인 백금대체 촉매의 연구개발 동향과 기술의 수준을 백금 사용량 저감형 촉매기술과 비교하였다. 따라서, 궁극적으로 백금을 대체한 촉매소재를 이용하여 지속가능한 연료전지를 생산하는 것이 요구되나 이러한 접근방법은 장주기적인 방법이다. 보다 현실적으로는 백금의 사용량을 줄이는 촉매소재 디자인 및 양산합성 기술이 요구된다. 동시에, 백금 사용량 저감 촉매기술과 더불어 고성능 MEA의 구조설계와 소재화 양산기술이 필요하다. 촉매소재의 디자인은 촉매활성과 내구성을 충족하는 방식으로 전개되어야 하며, MEA 구조설계는 물질 전달의 용이성 측면에서 다층구조화가 가능한 연속생산기술이 필요하다.
나. Coat-on-demand 공정기술의 개요
본 기술개발사업은 고분자 전해질 연료전지의 핵심 원천소재인 촉매와 MEA의 경제성, 내구성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 원천기술을 확보하여 비교적 새로운 기술인 연료전지 기술이 시장에 진입할 수 있는 동력원을 확보하는 것을 목표로 한다. 이를 위해서, 고성능 촉매와 MEA를 기능중심으로 3차원 구조를 설계하고 이를 additive 방식으로 제조하는 양산가능한 기술을 개발하고자 한다. 이러한 접근방법을 통해서, 성능개선과 내구성 향상을 통해 백금의 실질적인 사용량을 저감하고, 경제적인 대량생산이 가능한 기술을 산업에 제시할 수 있다. 촉매와 관련한 기술은 촉매의 활성측면에서 상대적으로 느린 ORR 반응활성을 높이기 위해서 합금화된 촉매를 이용하며, 내구성 측면에서 지지체의 부식 저항성을 개선하는 방향으로 다양한 소재의 조합이 제시되고 있다. 궁극적으로, 넓은 반응표면적과 우수한 촉매활성, 그리고, 내구성을 조합하는 촉매의 3차원 구조를 설계하는 기술과 합성기술이 요구되며, 이는 물질선택의 제한성이 낮고, 양산성이 우수한 건식합성기술이 기존의 습식합성기술과 결합하거나 대체하는 방향으로 전개될 것이다. 촉매기술과 관련한 coat-on-demand 기술은 건식합성기술에 기반하여 지지체의 표면에 기능을 부여하는 기술로 나노 스케일에서 다양한 입자의 형상제어를 가능하게 하는 기술로 정의되었다. MEA (membrane electrode assembly)는 실제로 전기화학반응을 통해서 전기에너지가 생성되는 원천소재로 PEM (고분자전해질)을 경계로 촉매전극이 양면을 구성하고 바깥쪽으로 가스확산층 (GDL)이 위치한 샌드위치 구조이다.
반응기상인 수소와 산소가 이동하고 생성물인 수소이온, 물, 전자가 각각 다른 경로를 통해서 이동하게 된다. 따라서, 물질전달이 최적화된 형태의 구조가 요구되며, 백금의 사용량 저감 차원에서 반응특성을 고려한 백금 로딩량의 최적화가 요구된다. 그림 은 MEA의 과전압 현상을 나타내며, 촉매특성과 MEA 구조에 따라서 과전압 현상이 달라질 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 양극, 음극 반응속도와 물질전달 측면에서 다층구조의 MEA를 설계하고 설계된 전극구조가 연속공정에 의해서 직접 PEM 표면에 적층될 수 있는 전극화 기술을 coat-on-demand 기술로 정의한다.
이상의 연구개발 접근방법을 통해 도출된 coat-on-demand 기술은 요구되는 기능의 구조를 additive 방식으로 구현하는 기술이며, 나노 스케일에서 매크로 스케일까지 3차원의 구조를 임의로 제어할 수 있고, 성능측면에서의 백금의 사용량과 공정과정에서의 백금의 손실을 최소화할 수 있는 기술이다. 그림 에 제시된 바와 같이 이러한 기술의 개념을 통해서 촉매/MEA 원천소재의 백금사용량 저감, 성능개선, 내구성향상 및 생산성을 높이고자 한다.
(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록, 3세부과제는 본문중 제1장 서론)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 총괄보고서 ... 2
- 1세부과제 지속가능형고효율 촉매 소재 제조기술 ... 3
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 4
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 8
- 목차 ... 16
- 제 1 장 서론 ... 17
- 제 1절 과제의 개요 ... 17
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 21
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 21
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 22
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 24
- 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 25
- 제5절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 26
- 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 27
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 27
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 50
- 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 54
- 제 4 절 고용 창출 효과 ... 56
- 2세부과제 하이브리드 나노 촉매직접 코팅 소재 기술 ... 57
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 58
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 64
- 목차 ... 74
- 제 1 장 서론 ... 75
- 제 1 절 과제의 개요 ... 75
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 76
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 76
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 77
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 79
- 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 80
- 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 80
- 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 81
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 81
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 95
- 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 97
- 제 4 절 고용 창출 효과 ... 97
- 3세부과제 Coat-on-demand 공정을통한 3차원 구조제어 소재기술 ... 98
- 제 1 장 서론 ... 99
- 제 1 절 과제의 개요 ... 99
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 103
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 103
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 104
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 106
- 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 109
- 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 110
- 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 111
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 111
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 138
- 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망(당초 기술개발 시작 시점의 조사와 변화된 것 위주로 기술) ... 143
- 제 4 절 고용 창출 효과 ... 149
- 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 150
- 끝페이지 ... 151
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