화학 2 분과 기획위원회

이 희 우(서강대학교)

2

1. 원천기술의 정의

2. 기술개발의 필요성

3. 국내외 시장동향

4. 기술개발 동향

5. SWOT 분석

6. 연구기획 추진경과

7. 기술개발 목표

8. 세부 핵심기술

9. 기대 효과

신성장 동력산업• IT 산업 및 로봇 산업의 의 동력원 (“심장”)• 우주 • 항공 산업

저탄소 녹색성장 산업• 저탄소 수송기기: HEV, PHEV, 전기자동차, 연료전지 자동차

• 화석 연료 대체용 차세대 청정 발전

산업적 파급 효과

발전용유휴 전기 저장용

전기 자동차HEV, PHEV

로봇, 소형가전이동형 전자기기

에너지 화학 소재의 분류

화학변환

물리변환

이차 전지

태양 전지

연료 전지

화학에너지

변환

발전

빛 젂기적

에너지

변환에너지변환

열전소자 열 변환

3

4

분자배열, 미세구조 제어 및 유·무기복합화를 통해 소재를

고기능화함으로써, 에너지 변환·저장 화학소자의 임계성능

의 한계를 극복할 수 있는 소재 원천기술

제안기술 배경 및 필요성 제안기술 목적 제안기술 정의

태양에너지 효율적 이용

태양 바람열

자연자원ElectricEnergy

고효율

그린에너지변환

소재기술

저탄소

유비쿼터스

에너지원

기능화복합화박막화블록화가교화

이온 전도도전하이동도기계적 물성계면특성소자 최적

진공증착형 저분자 흡광소재의 광대역화 기술

용액공정 고체고분자 전해질의 박막화 기술

수소연료전지용 고분자 전해질막의 고온특성향상

기술

유비쿼터스 사회를 위한 인간친화

적 에너지원

효율적 청정 에너지 이용 및 변환 Electric

Energy

에너지재사용

이온성액체 겔 고분자 전해질 소재의 전기화학적 안정

성 향상기술

새로운 개념의 에너지 변환핵심 화학소재 개발

리튬 금속 이차전지, 고분자전해질 슈퍼커패시터고분자 박막전지, 고온 고분자 연료전지, 유기태양전지상용화

에너지화학소재-고효율-안정성 향상-이온/전하전도 특성

5

나노기술

분자제어

미세구조조절

소자 설계양산화 기술

에너지 변환 화학 소재특성평가 및 최적화 연구

•고에너지 용량

•고효율

•초소형화

•초박형화

•장수명

•안정성 향상

•경제성소자 설계

•양산화 기술

* Source : 삼성 SDI, Nomura Research Inst. 2007년 2월, CLSA 2005 등, * 화학소재시장은 전체 시스템시장의 20%, 국내시장은 전세계의 15%로 추정함

전세계 에너지변환소자 시장

전세계 화학소재시장 국내화학소재 시장

2008 37.5 7.5 1.3

2010 80 16 2.5

2015 215 43 7

2020 668 134 20

단위:억달러

6

억달러

0

100

200

300

400

500

600

700

800

2008 2010 2015 2020

유기태양전지

연료전지

수퍼커패시터

리튬이온전지

전세계화학소재시장

국내화학소재시장

선진국에서는 70년대 부터 소재 및 소자에 대한 원천 기술 개발, 상용화 기술 일부 보유

에너지 변환 소자의 상용화를 위한 신개념 소재 및 소자 개발 연구를 국가적 차원에서 본격적지원 (예 미국 오바마 정부의 전기 자동차용 전지 개발, 일본 NEDO 프로그램 등)

국내에서는 최근 5년에 연구개발 본격 추진, 소자 기술은 일부 확보 기술소재 원천기술 매우 취약

7

고온형 연료전지

멤브레인 소재

제조사 3M (미국)

최고성능수소이온전도도

0.05 S/cm @ 120oC, 50%RH

적용부품 막-전극접합체 (MEA)

개발현황

세계적 연구 초기 단계

고온 저가습용 전해질막

소재셜계

이온전도도 및 내구성 향상

연구

국내현황 선진국에 비해 미흡

고체 고분자 전해질

MIT, 3M (미국)

1x 10-4 S/cm @25oC

전기자동차용 전지

Smart Card, RFID전원

Solicore 박막전지용 개발 중

전기 자동차용으로 Hydro-Quebec 및 3M에서 개발 중

기계적물성 및 이온전도도

동시만족 필요

산업체 : 거의 없음

연구소/대학 : 한국화학연구원, KIST, KAIST 등

증착형 유기 흡광 소재

Princeton (미국)

Dresden (독일)

효율 3.4%

Voc 0.58 V

Small Molecule Solar Cells

이온성액체 겔 고분자 전해질

UC Berkeley (미국)

Poznan U(폴란드)

Conductivity : 10-3 S/cm

전압안정도 : 4.5V

산업체 : 거의 없음

연구소 : KIST

저장장치보조전원용,

HEV 전원용, 전력축전용 등

고전기화학적 안정성 재료

누액, 발화 방지 전해질 소재

발열특성 재어 전해질 소재

3차원 미세구조 제어 기술

세계적으로 본격적인 연구개발

이 시작되는 초기 개발 단계

High Voc 갖는 로밴드갭 소재

고효율, 안정성 확보 필요

현재 Polymer type 진행

증착형 소재개발은 거의없음

8

Strength (강점) Weakness (약점)

Opportunity (기회) Threat (위협)

차세대 에너지화학소재 신수요 창출

친환경자동차, 유비쿼터스 산업 등에너지화학소재 잠재적 시장 확대

미래시장 예측이 불투명하여투자 위험도가 매우 큼

핵심요소기술 및 전문인력 부족

장기 기술 개발이 필요한 소재개발에 대한 투자 기피 및 역량부족

에너지화학소재의 임계 성능향상 기술의 난이도가 매우 큼

중국, 인도 등 후발국의 추격인한 경쟁 심화

저탄소 녹색성장에 필요한 차세대에너지 화학 소재에 대한 관심증가

견고한 IT기반 산업, 자동차 산업등 신뢰성 있는 수요 산업군 보유

리튬이차전지 세계 2위 생산 기반

선진 기업의 기술개발 가속화 및기술 블록화

화학소재 합성 기술 및 생산공정기술 역량우수

9

산·학·연 전문가의 기획위원회 구성

기술체계를 검토하여 세부 핵심기술 선정

시장, 기술, 특허 분석을 통한 기술수준 분석

선진기업 대비 기술격차를 고려한 기술개발목표 도출

A. 용액공정 고체 고분자 전해질의 박막화 기술

전해질의 설계 및 합성을 통한 분자구조 조절 기술전도도, 계면특성 및 기계적 물성 향상기술리튬 dendrite 성장 제어기술 및 충방전 효율 향상기술박막 고분자 전지적용을 위한 용액 공정 기술고체 고분자 전해질의 상온 작동 리튬 금속 이차전지 적용기술

A-1A-2A-3A-4A-5

이온성액체 합성 기술전해질의 3차원 미세구조 제어기술상분리제어 및 복합화 기술계면제어 일체화기술

C-1C-2C-3C-4

B. 겔 고분자 전해질을 이용한리튬 이온 고분자 전지 기술

겔 고분자 전해질 설계 및 합성 기술전기화학적 안정성 향상 및 기계적 물성 향상 기술리튬 이온 폴리머 전지 적용기술대용량 고출력 전지 안정성 향상 기술

B-1B-2B-3B-4

D. 수소이온 고분자 전해질막의 고온특성 향상 기술

고온 저가습용 전해질막 소재 개발고온 저가습 상태에서의 이온전도매체 도입기술열화 내구성 향상 막-전극 소재 제어기술고온 저가습 전해질막을 이용한 MEA 제조 및 안정성확보기술

D-1D-2D-3D-4

E. 불소계 및 비불소계 수소이온전해질고분자막 소재기술

Nafion계 이온교환막 성능향상을 위한 복합화 기술Nafion계 이온교환막 고온 적용 특성향상기술탄화수소계 이온교환막 설계 및 합성기술탄화수소계 전해질막의 전도도, 기계적물성 향상기술

E-1E-2E-3E-4

C. 이온성액체 겔고분자전해질소재의 전기화학적 안정성 향상

10

F. 증착형 진공증착형 자분자흡광소재의 광대역화 기술

유기 반도체 소재 합성 기술밴드 정렬 최적화 분자 설계적층 및 계면 최적화증착형 유기 태양전지 소자 설계 및 특성 향상 기술

F-1F-2F-3F-4

G. 유기고분자 태양전지 소재밴드갭 조절을 위한 고분자 소재의 구조 설계 및 합성기술블랜딩 및 열처리를 통한 박막 모폴로지 제어 기술용액공정 유기고분자 태양전지의 광변환 효율 향상 기술

G-1G-2G-3

10

11

A. 용액공정 고체 고분자 전해질의 박막화 기술

C. 이온성액체 겔고분자전해질소재의 전기화학적 안정성 향상 기술

D. 수소이온 고분자 전해질 막의 고온특성 향상 기술

F. 저분자 흡광소재 광대역화 기술

*참고(수정사항) : 기술적 중요도 기술 중요도기술적 성숙도 기술 성숙도

시장 포트폴리오 분석 기술 포트폴리오 분석

A-1

A-2A-3

A-4A-5

A-1A-2

A-3

A-4A-5

B-1

B-2 B-3

B-4

B-1

B-2

B-3

B-4

C-1C-2

C-4

D-1

D-2

D-3D-4

F-1

F-2F-3

E-1 E-2

E-3E-4

F-4

G-2G-3

C-1C-2

C-3C-4D-1

D-2D-3

D-4F-1F-2

F-3F-4

E-1

E-2E-3E-4

C-3

G-1

G-2G-3

G-1

► 차세대 미래 자동차 용 수퍼커패시터 및 전지 수요증가 기대► 고용량 고온 안정성 전해질 소재의 필요► 비발화특성, 비휘발특성, 장기 안정성 전해질 소재 요구됨

용액공정 고체고분자전해질의 박막화 기술

► 고체 전해질이 이차전지의 안전성 향상 및 고용량에 큰 영향

► 기존의 고체 전해질은 상온 및 저온에서 물성의 한계가 있음

► 분자구조 조절을 통한 신규 고체 전해질 물질 개발 필요

이온성액체 겔 고분자전해질 소재의 전기화학적 안정성 향상기술

수소이온 고분자 전해질막의 고온특성 향상기술

► 기존의 전해질막은 고온 저가습 상태에서 성능 한계 있음

► 고온 저가습용 전해질막 소재 개발로 임계성능 극복

► 고온용 고성능 막-전극접합체 개발이 PEMFC 상용화에 필수

진공증착형 저분자 흡광소재 광대역화 기술

►다층구조에 의한 구조 설계 및 효율 향상 연구에 유리

►개척 단계의 틈새 분야로 원천 특허 확보 가능성이 높음

►국내 OLED 생산기반을 활용한 안정적 성장 기반 구축 가능

12

현재 선진국 수준 최종목표 (2019년)

리튬이온젂도도: 0.1mS/cm(고체고분자)

1mS/cm(이온성 겔고분자 젂해질 )

무가습 고분자 젂해질 막: 0.01S/cm (120℃)

고분자박막태양젂지 5%

-리튬이온 젂도도

>1 mS/cm(고체고분자젂해질)

>10mS/cm(이온성 겔고분자 젂해질 )

- 금속 리튬 충방젂 효율 >97%

- 저가습 고분자 젂해질막

이온젂도도 > 0.1S/cm (120℃, 상압)

셀성능 >800mA/cm2@ 120℃, 0.7V

-유기박막 태양젂지

>11% (저분자유기반도체)

현재 국내 수준

리튬이온젂도도: 0.05mS/cm(고체고분자)

연구중 (이온성 겔고분자 젂해질)

무가습 고분자 젂해질 막: 연구중

고분자박막태양젂지 3%

연구 개발 내용

13

세부 핵심기술 기술 내용

용액공정 고체 고분자 젂해질의박막화기술

- 분자구조 조젃 합성을 통한 젂도도 및 계면특성 향상기술- 고체 고분자 젂해질의 박막젂지 및 리튬 금속 이차젂지 적용기술

이온성액체 겔 고분자 젂해질 소재의 젂기화학적 안정성 향상기술

- 이온성 액체의 합성 기술 및 겔 고분자 젂해질 기술- 이온젂도도 및 젂기화학적 안정성 향상 기술

수소이온 고분자 젂해질막의고온특성 향상기술

- 고온(120℃이상) 저가습 상태에서의 이온젂도 매체 도입기술- 고온 저가습용 젂해질막을 이용한 MEA 제조기술

진공증착형 저분자 흡광소재의광대역화 기술

- 유기흡광소재 소재의 밴드갭 제어기술- 분자 구조 설계에 의한 Voc 향상 및 밴드 정렬 최적화 기술

20192013 2016

용액공정 고체고분자

전해질의 박막화기술

성능지표현재 기술 수준 기술개발 목표 (년)

세부 핵심기술명

1X10-4

-

200

-

3X10-4 7X10-4 1X10-3

75 90 >97

100 200 300

1,000 3,000 5,000

이온성액체 겔 고분

자 전해질의 전기화

학적 안정화 기술

4.3

1X10-3

-

100

4.5 4.8 5.0

2X10-3 5X10-3 1X10-2

1X105 3X105 5X105

100 70 50

14

고특성 증착용 유기흡광 소재

설계 및 합성 기술

2.5 (Dresden/독일)

0.58 (Princeton/미국)

45 (Princeton/미국)

3.4 (Princeton/미국)

2.0 1.7 1.5

0.7 0.9 1.0

50 55 60

5 8 11

수소이온 고분자

전해질막의 고온

특성 향상기술

1200~25

0.10.01

200＠120oC

1200~25

0.120.05

500＠120oC

1200~25

0.140.10

800＠120oC

해외국내

리튬이온 전도 (S/cm@25℃)

리튬금속 충방전효율(@25℃)

에너지 밀도 (Ah/cm2)

충·방전 수명 (회)

전기화학적 안정도 (V)

리튬이온 전도(S/cm@25℃)

Cycle life (C<30%)

ESR (m)

구동조건 [oC, %RH]

수소이온전도도 [S/cm]＠ 120 oC, 50 %RH＠ 120 oC, 무가습

셀성능 [mA/cm2

＠ 0.7V, 120 oC]

광대역 소재/합성 (eV)

개방 전압 (volts)

충진율 (%)

전력변환효율 (%)

1X10-4

60

-

-

2.3

1X10-4

-

-

미

개

발

60~8080~100

0.02

70＠120oC

60~120-

0.05-

150＠120oC

15

세부 핵심 기술 목표

성능지표현재 기술 수준 기술 개발 목표

리튬이온 전도도(S/cm@25℃)]

리튬금속 충방전효율(%@25℃, 100회 평균)

박막전지 성능에너지 밀도 (Ah/cm2)충·방전 수명 (회)

국내 해외 201920162013

0.1` X 10-3

60

--

0.1 X 10-3

-

200-

0.3 X 10-3

75

1001,000

0.7 X 10-3

90

2003,000

1 X 10-3

>97

3005,000

고체고분자 젂해질(intrinsic Solid Polymer Electrolyte)

O O O

O O O

Li+

ClO4

-Li

+ClO

4

-ClO

4

-

Poly(ethylene oxide)/LiClO4

고분자 내에 전해질염이 녹아액체전해질 없이도 높은 이온전도도를 가지는 고체 전해질

리튬고분자 전지의 특징• 안전성 향상• 고에너지 밀도 전지- 리튬금속전지

• 용액 공정 가능• 전지 디자인 용이- 박막전지, 입는 전지 등

기술의 원천성

이온전도도 및 계면 특성이 확보된 고체 고분자 전해질 제조기술

용액공정 고체 고분자 전해질을이용한 신 계념 박막고분자 전지기술

리튬 충방전 효율 및 안전성이 확보된 리튬 금속 전지 기술

15

16

세부 핵심 기술 목표

성능지표현재 기술 수준 기술 개발 목표

전기화학적 안정도 (V)

이온전도도(S/cm @25℃)

커패시터 성능Cycle life (C<30%)

ESR (m)

국내 해외 201920162013

2.7

N/A

N/AN/A

4.3

1 X 10-3

N/A100

4.5

2 X 10-3

100,000100

4.8

5 X 10-3

300,00070

5.0

1 X 10-2

500,00050

이온성액체 겔 고분자 젂해질(Ionic liquid Gel Polymer Electrolyte)

고이온전도도와 고안정성을 가지는 상온 이온성액체와 3차원구조의 고분자로 구성된 겔 전해질

리튬 커패시터의 특징• 고에너지 밀도• 고출력• 고전압 구동 특성• 비발화, 비누액, 고안정성• 전지 디자인 용이

기술의 원천성

전기화학안정성이 우수한 이온성액체 겔 고분자 전해질 합성제조 기술

3차원 미세구조 제어를 통한 고강도 고효율 전해질 기술

고용량 고안정성 하이브리드 형수퍼커패시터 제조 기술

N NR3

R1

R5 R4

R2

[(CF2SO2)2N]-

8-2. 이온성액체 겔 고분자 전해질소재의 전기화학적안정성 향상기술

16

고온용 수소이온 고분자 젂해질(Proton Exchange Membrane for high temperature )

고온 저가습 상태에서 높은이온전도도와 열적안정성을 갖는수소이온전도성 고분자 전해질

고온용고분자 전해질의 특징• 고온 저가습운전 가능• 높은 수소이온전도도• 낮은 연료투과도• 전기산화, 기계적 내구성• 장기 안정성

기술의 원천성

고온 저가습 용 고성능 전해질막소재 제조기술

고온에서 이온전도도 및 내구성이확보된 고분자 전해질 제조 기술

고온에서 고성능, 고내구성을 가지며 계면특성이 개선된 막-전극 접합체 제조 기술

성능지표현재 기술 수준

구동조건 [oC,%RH]

수소이온전도도 [S/cm]＠ 120 oC, 50 %RH＠ 120 oC, 무가습

셀성능 [mA/cm2

＠ 0.7V, 120 oC]

60~8080~100

0.02

70＠ 120oC

국내 해외 201920162013

60~120-

0.05-

150＠ 120oC

1200~25

0.10.01

200＠ 120oC

1200~25

0.120.05

500＠ 120oC

1200~25

0.140.10

800＠ 120oC

세부 핵심 기술 목표

2007 2010 2015

Conductivity (S/cm)

120oC(50% RH)

120oC(25% RH)

0.05

0.02

0.10

0.07

0.10

0.07

Durability (hr)

> 80oC- 2000 5000

DOE Targets

17

18

증착형 흡광 소재(Low Molecular Weight Materials for Photon Absorber )

진공 증착이 가능한 저분자 구조를 갖는 유기 흡광 소재의 개발

증착형 소재의 특징• 현행 OLED 생산라인 활용가능• 계면제어를 통한 다층화가 용이• 밴드엔지니어링에 의한 효율향상• 정확한 구조제어에 의한 최적화

기술의 원천성

증착형 유기 태양전지 소재의 광대역화 기술

개방전압 및 밴드정렬 최적화를 위한 분자 구조 설계 합성 기술

유기 박막 적층 구조 설계 및 태양전지 소자 특성 향상 기술

성능지표현재 기술 수준

광대역 소재/합성 (eV)

개방전압 (Voc)

Fill Factor (%)

전력변환효율 (%)

- 2.5 2.0 1.7 1.5

- 0.58 0.7 0.9 1.0

- 45 50 55 60

2.3% 3.4 5 8 11

국내 해외 201920162013

세부 핵심 기술 목표

19

• 고분자 전해질• 수소이온전도막• 광대역 흡광소재

• 유비쿼터스 IT• 전기 자동차• 청정 발전• 리튬이차전지

• 슈퍼커패시터• 고분자연료전지• 유기태양전지

에너지화학소재

소재

에너지변환소자

수요산업신성장동력 산업

저탄소·녹색성장산업

이온/전하이동도 최적화

고효율화경제성

친환경/지속성장

2019년세계시장규모 $600억

국내시장규모 6조

시장점유율 15%

태동기 성장기

2009년세계시장규모 $40억

국내시장규모 0.4조

시장점유율 <1%