이에 따라 4개 기관은 △전기차 충전 신기술 적용을 위한 상호 기술 검토 및 실증 협력 △전기차 충전기 유지 관리 및 현장 점검을 통한 인프라 개선 사항 도출 협력 △전기차 충전기 개선방안 및 결과물 확산을 위한 국내 지원 활동 수행 △기타 전기차 충전 인프라 관련 협력사업 공동 발굴 등에 나선다.
다음 순서로 KERI와 한국스마트그리드협회 그리고 전기차 및 충전 관련 9개 기업체(KG모빌리티, 현대케피코, SK시그넷, EVSIS, 채비, 모트렉스, GS차지비, LGU+볼트업, KEVIT)가 ‘글로벌 상호운용성 시험센터의 구축 및 운영을 위한 협약’을 체결했다. 해당 센터는 전기차와 충전기 간 호환성 문제를 점검하고 개선 방안을 빠르게 협의하는 인프라다.
전기차와 충전기 사이의 연결은 외형적인 형태뿐만 아니라 내부 통신과도 같은 ‘상호운용성’도 매우 중요하다. 서로 다른 제조사의 전기차·충전기가 상이한 합을 맞추면, 충전이 중단되거나 혹은 안전하지 못한 상황서 충전이 될 수 있는 것이다. 향후 V2G(양방향 충전), PnC(전기차 인증서 기반 자동 충전) 등 신기술이 적용될수록 이러한 충전 내부의 합이 맞지 않을 가능성이 더욱 높아진다.
이에 KERI가 전기차 완성차 업체, 충전기 제조사, 충전 서비스 사업자 등 모든 이해관계자가 함께할 수 있는 구심점인 ‘글로벌 상호운용성 시험센터’를 추진하게 됐고, 업무 협약을 통해 함께 협업할 회원사를 확보하고 있는 단계다. KERI 지난해 회원사로 현대차·기아, 벤츠 코리아를 확보했고, 이날 협약식을 통해 9개 기업체가 추가됐다. 협약 주체들은 올해 7월 초 예정된 센터의 원활한 개소를 위해 적극 협력한다.
KERI 김남균 원장은 “전기차와 충전기는 하나의 시스템으로 함께 발전해야 하는 만큼, 관련 기관과 기업이 모두 협업해야 시장 발전을 이끌 수 있다”며 “KERI가 안정적인 시험인증 환경을 구축해 국내 전기차 및 충전기 업체들의 기술력과 수출 경쟁력을 높일 수 있도록 적극 지원하겠다”고 전했다.
#설승권 박사팀, 머리카락 굵기 약 1/100 수의 인쇄 해상도 달성
2011년 미국에서 처음 발견된 맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노 물질이다. 맥신은 높은 전기 전도성과 전자파 차단 능력을 보유하고 있고, 여러 금속 화학물과의 조합이 용이한 특성이 있어 고효율 배터리나 전자기 차폐(shield) 등 다양한 분야에서 크게 주목받고 있다.
하지만 맥신을 3D 프린팅 분야에 적용하려면 별도의 첨가제(바인더)가 필요하며, 인쇄에 맞게 최적의 잉크 점도(농도)로 조절해야 하는 어려움이 있었다. 맥신의 공급량이 너무 많으면 고농도의 잉크가 피펫 노즐을 막는 문제가 발생했고, 반대로 양을 크게 줄이면 원하는 구조물을 충분히 인쇄하는 데 한계가 나타났던 것이다. 첨가제로 인해 맥신 본래의 성질이 손상된다는 단점도 있었다.
이를 해결하기 위해 설승권 박사팀은 독자적으로 보유한 ‘메니스커스(Meniscus)’ 방식을 활용했다. 메니스커스는 물방울 등을 일정 압력으로 지그시 누르거나 당기면 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상이다. KERI 연구진은 높은 친수성을 보유한 맥신을 바인더 없이 물에 분산시켜 낮은 점도로도 고해상도 미세 구조물을 인쇄할 수 있는 3D 프린팅용 나노 잉크를 제조하는 데 성공했다.
인쇄 원리는 단순하다. 먼저 3D 프린터 노즐에서 잉크를 분사하면 맥신 등 나노 물질이 메니스커스를 통로로 삼아 뿜어져 나온다. 이때 잉크의 메니스커스 표면에서 물(용매)이 빠르게 증발하고, 내부에 강한 인력(반데르발스 힘)이 작용하여 나노 물질들이 서로 결합하게 된다. 이렇게 노즐을 이동하며 해당 과정을 연속해서 진행하면 전기가 통하는 3D 마이크로 구조물이 탄생하는 원리다.
이번 성과는 첨가제 없이 맥신의 특성을 최대한 활용한 방법으로 인한 결과물도 뛰어났다. 인쇄 해상도는 기존 기술 대비 무려 270배나 높은 1.3㎛(마이크로미터)로, 머리카락 굵기의 약 1/100 수준이다.
3D 인쇄 구조물의 미세화를 통해 전기·전자 소자의 성능과 활용성도 대폭 커졌다. 배터리 등 에너지 저장 장치 분야에 활용되면, 구조물의 표면적과 집적도를 높여 이온 전달 효율을 극대화하고, 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다. 전자기 차폐에서는 내부의 다중 반사와 흡수 효과를 증폭해 성능을 향상 시킬 수 있다. 그 외에 다양한 센서를 제작할 때도 민감도 증대 및 효율 향상 등을 기대할 수 있다.
설승권 박사는 “맥신 잉크의 농도 조건을 최적화하고, 인쇄 공정에서 발생할 수 있는 다양한 매개변수들을 정밀 분석하는 데 많은 노력을 기울였다”며 “우리의 기술은 별도의 첨가제나 후처리 공정 없이도 맥신의 장점을 살려 고강도·고정밀 3D 마이크로 구조물을 얻을 수 있는 세계 최초의 성과”라고 전했다.
이번 연구 결과는 높은 평가를 받아 독일 와일리(Wiley) 출판사의 재료분야 세계적 학술지인 ‘스몰(Small)’ 표지논문으로 최근 선정(JCR 상위 7%, IF=13)됐다. KERI는 개발 기술의 사업화를 위해 수요 업체를 적극 발굴한다는 계획이다. 최근 물리적 형태에 구애받지 않는 ‘폼팩터-프리(Form-Factor Free)’ 초소형·유연 전자 장치에 대한 수요가 증가하고 있는 만큼, 나노잉크 기반 3D 프린팅 기술을 통해 관련 시장 분야를 선도한다는 목표다.
정동욱 부산/경남 기자 ilyo33@ilyo.co.kr