유비쿼터스 컴퓨팅개론 5강 - 디바이스 기술(나노 기술 및 차세대 전지)

1. 나노 기술

2. 차세대 전지

 

✅ 1. 나노 기술

• 나노 기술이란 물질의 특성을 나노 스케일에서 규명하고 제어하는 기술을 의미한다.
• 나노 기술은 단순히 작게 만드는 것이 아닌 원자, 분자 결합을 통해 물질 변형 또는 새로운 물질을 창출하는 기술임.
• 나노미터(nm) 크기의 원자나 분자를 조작하는 기술

 

(1) 나노 기술(Nano Technology) 개요

• 나노라는 단어는 10억분의 1을 나타내는 단위로 난쟁이를 뜻하는 고대 그리스어 나노스(nanos)에서 유래하였음.
• 1nm는 10억분의 1m이며, 이는 머리카락 굵기의 약 8만분의 1, 수소 원자 10개를 나란히 늘어놓은 정도에 해당됨.
• 대충, 나노 기술을 활용하여 소자를 만들면 대용량의 데이터를 저장할 수 있는 장치를 만들 수도 있음.
• 일반적으로 100nm 이하 크기를 가지는 물질은 중력에 의한 물리학보다는 양자역학에 따라 다른 특성을 가짐.
• 입자의 질량이 너무 작아서 중력의 영향은 덜 받고, 상대적으로 넓은 표면적으로 인하여 흡착력이 커지게 됨.

[1] 광학적 특성

• 나노 영역에서는 크기에 따라 색깔이 변함
• 금(Au)의 경우, 일반적으로는 황금색을 띠지만, 20nm 이하가 되면 빨간색으로 변하며, 크기가 조금만 변해도 색이 달리 보임.

[2] 화학적 특성

• 모든 물질은 큰 덩어리를 작은 덩어리로 쪼개면 이로 인해 나노 물질은 독특한 특성을 나타냄.
• 자가세척력, 김 서림 방지 효과 등을 나타내서 활용도가 커짐.

[3] 기계적 특성

• 나노 물질은 특정 크기에서 강도가 급격히 증가하는 현상을 보이기도 함.
• 일반적으로 크기가 작을수록 강하다는 일반 상식이 통하지 않음
• 다만 다른 물질과 결합할 경우 기계적 강도가 증가하는 것으로 볼 때, 나노 입자의 기계적 성질이 우수하다고 판단이 됨.

[4] 전자적 성질

• 전자적인 성질을 띠는 반도체, 자성 금속, 나노 입자들은 크기가 10~100nm 정도로 작아지면 자기적인 성질이 최대가 됨.
• 자성 금속 나노 입자를 작고 균일한 크기로 배열하면 각각 한 개씩 비트로 표현이 가능 기억소자로 활용 가능
• 작은 원자, 분자 수준에서 구조물과 소자(반도체 등)를 제어하고자 함.

 

(2) 나노 기술을 연구하기 위한 기술적 접근 방식

 

[1] 하향식

• 나노미터 수준의 가공을 통해 나노미터 크기의 구조체를 인공적으로 형성하는 기술
• 나노수준으로 잘라내야 하므로, 기술과 경제적인 문제점 해결이 필요

[2] 상향식

• 물질의 최소 단위인 원자나 분자를 자유자재로 조작하여 원하는 기능의 구조체를 형성하는 기술
• 쉽게말해, 원자나 분자를 붙혀서 만드는 미시적에서 거시적인 관점으로 이동하는 개념

 

(3) 나노 기술의 역사

• 나노 기술에 대한 연구가 활발하게 진행된 계기는 1981년 스위스 주사터널링 현미경(STM)을 개발을 통해서 이다.
• 주사 터널링 현미경, 원자력 반발 현미경, 근접장 투과 현미경 등이 개발이 되면서 나노 구조를 볼 수 있게 됨.
• 단일 분자의 특성을 측정하고 조절할 수 있게 된 것이 현재의 나노 기술 발전에 커다란 영향을 미쳤음.
• 결론: 시각적으로 조사를 통해, 발전이 시작이 됨.
• 원자를 볼 수 있게 되면서, 사람들이 원자에 다양한 실험을 한 덕에 알게된 사실이 있음.
• 그것은, 나노 기술이 어마어마한 가치와 산업 영향력을 가지게 될 것이라고 판단이 되게 됨.

기존 방법

• 구성 성분의 조성을 변화시키거나 결정구조 등 물질의 구조를 변형시키는 방식이었음.

나노기술

• 물질의 크기를 변화시킴으로써 새로운 물질을 제조 또는 합성하는 것이다.
• 이것 뿐만 아니라, 이러한 것들을 이용해서 무엇을 만들어내는 것이 나노 기술이라고 할 수 있다.

 

(4) 나노 기술의 활용 분야

• 나노 기술은 혁신적 소재, 부품, 시스템 제조 등 제조업체 기술혁신을 불러 올 수 있는 핵심 기술이다.
• 관련 분야: 정보/전자, 에너지, 환경, 바이오 등 타 부냥와 융합 기술 개발

[1] 나노 소재

• 초경량/고강도/고특성 등 기존 소재의 한계를 극복할 수 있도록 나노 기반 소재 개발
• 정보/전자, 에너지,외료/환경 등 타 산업과의 융합 촉진

[2] 나노 바이오

• 나노 진단/ 나노 치료제/ 인공 촉각 기술 등
• 인간 중심의 기술 개발을 통해 건강하고 쾌적한 삶을 누릴 수 있도록 기술의 융복합 확대 추진

[3] 나노 에너지 및 환경

• 에너지 변환/저장 기술 등 나노 융합 에너지 환경 기술의 혁신적 성능 개선을 통한 지속 가능한 고도화 사회 구현이 가능

[4] 나노 공정, 측정, 장비

• 나노 박막/나보 패터닝/측정 분석 기술 등 창조적 나노 공정, 측정, 장비 기술 개발을 통해 신개념 나노 장비 시장 개척

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✅ 2. 차세대 전지

• 전기, 전자, IT 기술을 응용한 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC와 같은 소형 휴대기기 수요가 증가하고 있음
• 이에 따라 소형 기기의 구동에 꼭 필요한 에너지원인 차세대 전지에 대한 관심도 커지고 있음.
• 현재 주로 사용되는 휴대용 2차전지는 용량에 한계가 있음.

(1) 전지 분류

[1] 화학전지

• 화학반응을 통해 전기를 발생시키는 전지 ( 1차전지, 2차전지, 연료전지로 구분함 ) / 리튬이온 등
• 물질 간의 화학반응을 통해 전기 에너지를 발생시키거나, 전기에너지로 화학반응을 발생시킬 수 있는 장치이다.
• 1차전지: 한 번 쓰면 재사용이 불가능함
• 2차전지: 충전을 통해 지속적인 사용이 가능함(노트북, 휴대폰 배터리)
• 연료전지: 충전이 아닌 연료를 공급함으로써 지속적인 전기 생산이 가능함.
• 2차전지는 화학에너지와 전기에너지 간의 상호 변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있어 활용 범위가 큼

[2] 물리전지

• 물질의 물리적 변화에 의해 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환하는 전지
• 발전 워리에 따라 태양전지, 원자력전지, 열전기 발전형 전지, 열전자 발전형 전지 등이 있음

 

(2) 차세대 2차전지

• 현재의 전지 기술은 고용량, 고성능화 즉, 오래 효율적으로 쓸 수 있는 전지를 만드는것이 방향성으로 잡혀있음.
• 고용량, 고출력, 안전성, 저비용의 특성을 기반으로 기술 발전이 많이 일어나고 있음.
• 전고체 배터리: 기존엔 액체로 전자의 흐름을 만들었지만, 전고체 배터리는 고체로 전자의 흐름을 만드는 방식

 

(3) 초고용량 커패시터

• 커패시터: 축전기로, 전기를 저장했다가 필요할 때 내보내는 부품 ( 배터리 내부에 있는 부품이라고 생각하면 됨. )
• 초고용량으로 만들어진 커패시터는 가격이 비쌈

 

(4) 연료전지

• 다양한 에너지원을 이용하여 전기를 생성하는 발전기의 일종이다. ( 주 원료는 수소, 메탄올, 천연가스 등이 주로 고려됨 )
• 이전의 발전기는 원료를 연소시켜 생성된 열에너지를 엔진이나 터빈을 이용하여 전기 에너지로 변화를 시켰음
• 여러 차례 에너지 변환 과정을 거치므로 효율성이 낮은 단점이 있었음.
• 쉽게말해, 연료전지는 연료로부터 전기에너지를 바로 생성할 수 있도록 하는 전지이다.
• 대표적으로 수쇼연료전지가 있으며, 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기에너지를 생성하는 방식임.
• 산화환원반응을 이용하여 전기에너지를 생성하므로 에너지 효율이 높다는 장점이 있음.