기고

장시간·대용량 저장 가능 기술 ‘수소 뿐’ 이차전지·연료전지기술 융합으로 車산업 선점해야||■에너지의 공급 전망과 과제 지난해 11월 24일 녹색성장위원회와 교육과학기술부가 주최한 녹색기술융합컨퍼런스가 서울에서 열렸다. 녹색기술간 융합을 중심으로 기술개발동향과 산업전망을 공유하겠다는 취지로 산학연 전문가 450명이 한자리에 모였다. 이 회의에서 다룬 주제중 하나가 신재생에너지 생산·저장 및 응용기술의 융합방향이었다. 제2의 조선이요 반도체라 일컫는 재생에너지 산업의 미래는 에너지저장 및 활용기술의 뒷받침을 필요로 한다. 원유에 거의 전적으로 의존해왔던 수송용 에너지의 경우 패러다임이 급변하고 있다. 세계 자동차 산업은 지구온난화와 자원고갈로 최대 격변기에 직면했으며 이를 타개하기 위한 노력을 기울이고 있다. 수송 부문의 온실가스 배출량은 모든 산업분야의 25%로 각국은 온실가스 배출억제를 위한 자동차 분야 규제를 강화하고 있다. 이러한 분위기 속에서 자동차 분야의 전기구동추세는 이른바 메가트렌드이다. 전기구동을 함으로써 에너지효율을 높여 에너지 소모량을 줄일 수 있으며, 특히 화석연료 의존을 줄일 수 있다. 전기는 점차 그 비중이 커질 재생에너지로부터 얻을 수 있기 때문에, 재생에너지에서 나온 전기의 활용은 궁극적으로는 이산화탄소(CO₂)배출 저감과 분진, 소음을 줄이는 효과를 가져온다. 수송분야는 전세계적으로 볼 때, 에너지 소비량의 20% (IEA World Energy Outlook 2010에 의하면, 2007년 기준 총에너지소비 495 Quadrillion Btu 중 98 Quadrillion Btu)를 사용하고 있고, 원유의존도가 절대적으로 높아 원유 중 61.2%를 차지하고 있으나, 실제 바퀴 구동에 쓰이는 에너지의 비율 즉 효율은 20% 수준에 불과하다. 원유는 화학공업원료로서 매우 중요한 역할을 하기에 한번 쓰고 사라질 수송용으로 쓰기에는 너무나 아까운 자원이다. 지금 일반 가정에서는 가스와 전기가 가장 중요한 에너지원이다. 그동안 전세계 각국이 재생에너지를 자원의 고갈, 에너지공급의 안보, 지구온난화 방지, 경제적인 기회를 제공해줄 분야로 여겨 태양광·풍력을 중심으로 많은 투자를 해온 덕에 비약적인 성장이 있었다. IEA는 전기에너지의 경우 2007년부터 2035년까지 재생에너지 비율이 연간 3%씩 늘어 2007년의 18%에서 2035년에는 35%에 이를 것으로 전망하고 있다. 또한, 석탄발전은 연 2.3%, 천연가스와 원자력은 각각 기준년도 대비 연간 2.1 및 2.0% 로 성장할 것으로 예상하고 있다. 주지하는 바와 같이, 햇빛을 쬐거나 바람이 불어야 발전이 되는 재생에너지의 특성상 생산과 소비가 반드시 일치하는 것은 아니어서, 재생에너지 비율이 커질수록 잉여전력의 양도 늘게 되므로 이를 적절한 방법으로 저장하는 것이 필요하다. 즉, 에너지저장기술과 스마트그리드로 재생에너지의 간헐적인 생산에 의한 전기공급의 불안정성 문제를 해결해야 재생에너지의 공급 확대를 기대할 수 있다.||■우리나라의 전력수급계획과 에너지저장기술 정부의 전력수급계획 발표에 따르면 ‘저탄소 녹색성장’ 정책을 전력부문에서 적극 구현하기 위해 원자력, 신재생 등 기후변화 대응형 전원을 대폭 확대하기로 했다. 신재생비중이 2024년까지 8.9%로 확대되고 화석연료근간의 발전량 비중은 축소될 전망이다. 이뿐만 아니다. 정부는 2030년 세계시장에서 태양광 30%, 풍력 30%의 점유율을 달성한다는 목표를 세웠다. 재생에너지의 비율이 높아지면 잉여전력도 늘어난다. 우선 우리나라보다 재생에너지의 비중이 높은 독일의 사례를 들어보자. 1990년대 이래 독일의 전력생산에서 재생에너지가 차지하는 비중이 커져 2005년 10%, 2008년 15%를 차지했다. 소요 전기의 1/6 가량이 재생에너지로 생산된 셈이다. 현재의 시나리오로 보면 재생에너지원에서 생산되는 전기가 2020년에는 115TWh, 2030년에는 190TWh로 2008년도 수치의 2~4배, 총발전량의 20~35%에 이를 것으로 전망되고 있다. 이에 따라 잉여전력이 상당히 발생하여 별다른 조치가 없다면, 2020년에는 재생에너지 전기량중 최대 13TWh까지 그리드로 공급을 못 할 수도 있다는 예측을 하고 있다.||에너지를 저장하는 방법은 어떠한 기술들이 있을까? 전세계적으로 전력품질 안정화를 위한 분산전원용 에너지저장시스템 개발은 kW에서 MW급에 이르기까지 연구 및 실증되고 있으며, 특히 kW급의 전지기술은 수송용으로서도 활용가치가 높아 시범 사업으로 개발기술의 신뢰성이 확보되고 있는 상태이다. 전기저장기술은 수 밀리초에서 분단위까지의 단기저장기술로는 초전도코일, 슈퍼커패시터, 플라이휠, 이차전지 등이 쓰이고, 분단위에서 시간단위의 중기저장기술로는 압축공기나 양수발전이 이용된다. 며칠 또는 몇 달간의 장기저장은 수소 혹은 합성가스로서 지하 저장하는 방법이 가능하다. 작은 규모의 경우 이차전지를 이용하는 전기저장법은 계통상태에 따라 MW급까지 신속한 대응이 가능한 기술이다. 납축전지, NaS전지, 슈퍼커패시터, 리튬이차전지 및 레독스플로우 전지가 이용 가능하며 장수명, 높은 안전성과 저가격이 요구된다. 이미 실증을 성공적으로 마친 일본 NGK社의 사례도 있지만, 국내에서는 이제 양산을 위한 준비를 하는 단계에 있다. 각각의 에너지저장기술은 소요비용과 기간, 저장규모면에서의 차이에 따른 장단점을 가지고 있으며, 장시간의 TWh급 저장이 가능한 기술은 수소뿐이다. 1TWh를 저장하는 데 필요한 부피는 양수발전의 경우 14억㎥, 압축공기인 경우 3억7,000만㎥, 수소인 경우 500만㎥ (지하동굴 이용시)이다. 동굴이용과 같은 지하저장은 지반구조가 이에 적합해야 가능하다.||■에너지 분야의 융합 재생에너지를 활용한 수소 생산, 수소와 이산화탄소를 반응시켜 화학물질을 생산함으로서 CO₂를 고정화시켜 CO₂발생 저감에 기여하고자 하는 국가 프로젝트가 독일에서 올해 9월에 시작됐다. 혼다는 올 1월부터 가정용의 차세대 태양광-수소충전소를 운전하기 시작했다. 수소는 이미 산업과 시장이 형성되어 있는 분야이다. CO₂와 수소의 반응을 이용하는 것은 이른바 C1화학의 한 분야로서 오래전부터 연구개발돼 온 바 있다. 새로운 것이 아닌 알려진 기술의 융합으로도 새로운 비전을 제시하고 또 고부가가치를 만들어 낼 수 있다. 토요타도 2012년까지 미국시장에 전기자동차를 출시하고, 이어서 2015년까지 연료전지자동차의 상업화 생산을 할 것이라고 선언한 바 있다. 국내 현대 및 기아자동차도 비슷한 계획을 가지고 있으며, 2단계 연료전지차량 모니터링 사업으로 울산과 서울지역에 100대의 연료전지차량을 운행할 계획을 2009년 12월에 시작했다. 국내 기업의 경우 용융탄산염 연료전지를 CO₂포집과 연관시켜 운용함으로써 효율의 손실없이 CO₂ 회수와 청정발전을 이루려는 계획도 이뤄지고 있다. CO₂ 저감이 이슈가 된 현실에서 재생에너지 또는 신에너지의 활용도를 높이고, CO₂고정화기술과 연계시켜 에너지 문제와 환경문제를 동시에 해결하고자 하는 기술이 경제성을 갖추어 새로운 비즈니스 모델로서 신성장동력기술의 틈새시장 전략으로 활용되기를 기대한다. 자동차 분야의 전기구동(electro-mobility) 추세는 전기분야에 있어서 재생에너지의 비율을 높여줄 것이며, 전기인프라는 경우에 따라서는 물전기분해와 결합하여 수소충전소 인프라로서도 활용이 가능하다. 전세계적인 재생에너지의 확대 및 새로운 자동차 산업의 추세를 우리의 기회로 삼기 위해서는 공동의 인프라를 가지고 있는 상호 보완적인 기술인 이차전지와 연료전지기술을 잘 융합하고 재생에너지를 효율적으로 저장 및 이용할 수 있는 기술의 연계로 에너지와 화학원료도 공급하는 시기가 올 것이다.

●융합기술 이끌 ‘꿈의 신소재’ 탄소나노튜브(CNT)란 구리와 같은 전기전도성, 강철보다 100배 이상의 강도, 지구상 최고의 열전도성을 가진 소재로서 ‘21세기형 꿈의 연금술’을 가능하게 하는 천의 얼굴을 가진 재료다.지난 2003년 삼성경제연구소, 과학기술부는 이 소재가 가진 기술 혁신성, 기술적 파급효과와 큰 사업유망성 등을 들어 CNT를 우리나라를 먹여 살릴 10대소재로 지정한 바 있다. 또 일본 특허청 자료에 의하면 나노소재 중 단기간내에 성장가능성이 가장 큰 이유로 기술혁신성과 개발진척도를 들고있는 소재로 선진국과 후진국을 가릴 것 없이 모든 나라가 가장 경쟁적으로 연구와 투자를 하고있는 분야다. 학문간, 산업간 융합이 각광을 받는 최근 추세에서 IT, BT, NT, CT 등 신성자 융합분야에서도 활용도가 높은 핵심소재로 ‘융합소재의 핵’으로 자리매김 되고 있다. 나노소재 중 유일하게 산업화 도입기 중 발생단계에서 응용단계로 넘어가는 성장기술이고, 주변기술 발달로 코어기술에서 다양한 응용기술이 개발되는 단계로 기술성과 경제성의 벽을 동시에 넘어서고 있다. 제품수명주기상(도입기-성장기-성숙기-쇠퇴기) 도입기에 놓여있는 CNT는 이 자체가 독립적 상품 요소(도료)일 뿐만 아니라 응용기술분야에서도 다양한 용도를 가지고 있어서 기술적 파급효과가 매우 크다.●특성평가 표준화, 정량화 시급업계에서는 CNT 상용화의 최대 걸림돌로 ‘분산’과 ‘가격’을 꼽고 있다.그러나 필자는 CNT가 소개된지 20년이 다 됐는데도 아직 소재를 정의할 수 잇는 규격화되고 정량화된 특성 평가법이나, 표준화가 이뤄지지 않았다는 점이 시장 성장속도를 떨어뜨리는 상용화의 최대 걸림돌이라 생각한다.즉 CNT는 사용하는 카본소스, 촉매, 조건 등에 의해 재료의 물성이 거의 결정되어 나온다.얼마나 품질 좋은 촉매를 사용하느냐에 의해 전기전도성, 열전도성, 강도보강재로서의 용도가 결정된다고 보면 확실하다.보통 CNT 제조자가 제공하는 제품 스펙에 강조하는 순도는 정말 아무 의미없는 수치라고 보면 된다. 분석방법과 분석조건에 의해 달라지는 수치로는 CNT의 용도를 알수도 없으며 직진성, 길이, 직경과 표면에 부여된 친수기 등에 의해 더 우수한 CNT를 분별 할 수 있다.현재 분산의 헤게모니를 가지려는 수많은 연구자들이 지금도 전지구적으로 매달리고 있다.그러나 아직도 논문 ,특허 등 고전적인 방법에 준해 강산, 강알카리, 강산화-환원제, 고열처리와 값비싼 분산제로 분산에 매진하고 있거나, 강한 기계적 물리력으로 억지로 분산하고 있는 실정이다.이런 방식은 모두 CNT의 제 성질을 잃게하므로 우리가 원하는 물성을 얻기가 매우 어렵다.이 때문에 CNT 함량별(두께별) 전기 전도성, 열전도성 등의 수치화와 표준화가 곤란을 겪는 것이다.CNT의 고형체, 친환경 액상 분산액의 제조와 CNT평가방법, 고분산용 CNT 고형체외 다수 특허를 보유 또는 출원하고 있는 월드튜브는 친환경이며, 값싼 분산제를 이용하여 5wt%까지 물, 알콜, MEK, TO, DMF, NMP, EA, EC, BC 등을 분산해 많은 응용목적에 적합한 분산 기술을 확보하고 있으며, 응용분야별로 필요한 자사의 CNT 분산기술에 대한 특성평가를 함께할 세계적인 제품을 꿈꾸는 혁신적인 기업을 찾고 잇다.친환경 고형체들은 요즈음 이슈화 되고 있는 선진국의 TSCA같은 장벽을 넘을수 있으며, CNT-복합재 제조시 소량으로 원하는 전도성을 구현할 수 있기 때문에 미려한 외관과 물성을 얻을수 있다. 고분산용 고형체는 금속복합재(브레이크 패드, 디스크, 히트싱크, 전자파흡수-차폐재 등), 세라믹 복합재(세라믹볼, 세라믹디스크,전자파흡수-차폐재), 액상수지 프레플러그, 수지 중합용, BT융합제, 환경처리제, IT융합제, NT융합제 등으로 사용되고 있거나 향후 사용이 가능하다.응용분야 적용과정에서 발생하는 ‘높은 가격’은 바이엘이 “2012년 kg당 50달러”로 공언한 예에서 볼 수 있듯이 저가격화로 가는 것이 시대의 흐름이며 중국과 한국에서 40~70달러/kg의 CNT가 출시돼 고전도성 카본의 영역을 대체하고 있다. ||●분산기술 확보하면 ‘세계 최고’ 앞에서 서술한 바와 같이 현재 상용화가 더디게 진행 중인 CNT에 대해 주변의 많은 이들이 “사업이 되기는 되는 건가?”, “그럼 왜 안되는가?”라는 질문을 한다. 난감한 일이다. 보통 대학에서 CNT를 말하면 거의 이과쪽 교수 80~90%는 다 알고 있고, 60% 이상이 전문가라 말한다. 즉 학계에서는 10여년 동안 정부와 지자체, 기업에서 지원 또는 협력으로 인해 한두건 이상은 과제나 학생 논문 지도로 CNT의 우수성을 알고있으며 문제점도 무엇인지 분명이 알고있는 실정이다. 기업 쪽도 마찬가지로 연구소를 가진 80-90%는 CNT 소재를 한번쯤은 접해본 경험을 다 가지고 있고 자사 제품 적용으로 거둘 수 있는 시너지 효과는 물론, 여타 소재와의 융합에는 필히 필요한 소재라는 것을 잘 알고 있다. CNT소재의 필요성에 대한 공감대와 인력적 토대는 상당히 풍부한 것이다. 문제는 분산기술이다. CNT-우레탄복합재로 스러져가는 대구의 섬유산업을 일으키려는 대구의 Y대 K교수, 5년 동안 50억을 투자, 금속 복합재 브레이크 패드를 개발해 오신 R사 정사장, 선도장 후 용접 도료를 수년 개발 실패하다 당사의 분산액으로 성공하고 특허까지 출원해버려 저를 난감하게 만든 P사 K과장, 원자력연구소와 열전달유체의 과제를 하는 H대 H군 등 예에서 보는 바와 같이 이 같은 토대와 수준높은 분산기술의 만남은 세계 제품으로 바로 통용될 수 있는 소재나 부품생산, 특허 등을 연결될 수 있다.||즉 거인들의 어깨위에 올라탈 수 있는 수많은 혁신자들을 많이 만들 수 있다는 말이다. CNT를 하고있는 세계적인 기업으로는 바이엘, 아케마, 미tM비시, 미쓰이, 호소가와, 우베흥산, 쇼와덴코, 토레이, 듀폰, 하이페리온, 지백스, 니키쇼, 나노실, 바스프, RTP, GE, 등 전통의 소재분야 강자들과 신생의 C-나노, 타임스나노, 신젠나노테크, 나노랩, 나노리쥐, 혼쥬케미컬, Xintek, Tomaswan, Nano carbob tech 등 우리나라에서는 거의 모든 대기업군, 중견-중소기업들과 대학들이 경쟁적으로 연구 개발과 제품 상용화에 박차를 가하고 있는 실정이다. 그러나 이런 상황에서도 몇몇 사람들이 “이제 CNT는 사업화의 부적격 품목”이라고 외치는 소리를 들을 때 지금껏 CNT에 목숨을 걸어 온 한 사람으로서 참담함을 느끼지 않을 수 없었다. 그 말들이 틀렸다는 소리가 아니라, 왜 수년, 10여년하신 분들의 입에서 아직도 “분산이 어렵다, 분산은 이런 이유로 안된다, 분산은 이렇게 되지 않으면 안된다” 하는 말들이 나오느냐는 것이다. 지금도 청운의 꿈을 꾸고 CNT사업을 모색하는 기업과 관련자분에 이 같은 말을 태연하게 하는 행태에 대해 ‘거인의 어깨’를 함께 올라탄 후인으로서 반성하는 마음을 느끼지 않을 수 없다. 품질로 증명되는 당사의 제품에 대해 “어디서 박사학위 했나, 어디 논문에서 봤나, 품질 평가는 어디서 받았나”를 따지며 가치를 폄훼하는 행태, “CNT산업 책임지고 우리식으로 해 나간다”는 막무가내, 몇몇이 돌아가며 나눠먹는 R&D시장 등은 분명 개선돼야 할 부분이다.||●저가격화, 응용제품 개발 확대 등 밝은 전망 CNT산업은 분명 매력적이고, 국가적으로 매진해야할 전락사업임에 틀림없다. 당사의 경우만 보더라도 단 한번의 테스트만으로 나온 열전달 유체의 에너지 효율 14% 향상 이라는 결과를 두고 보면 제대로 맞춤 연구만 되면 20%까지 쉽게 달성되리라 생한다. 이는 국내 보일러에만 적용하더라도 에너지를 20% 아낄 수 있는 최고의 친환경 소재다. P사의 선도장 후용접용 도료도 기존 자동차 도장라인 개념을 혁신할 수 있는 세계적인 소재 기술이다. 자동차 브래이크 패드와 디스크용 금속 복합재도 당장 KTX의 독일 사브사의 제품을 대체할 수 잇는 혁신적인 제품이라 할 수있다. CNT는 전 세계 생산량 연간 1만톤이라는 대량 생산의 단계로 이행하고 있다. 이제는 이 팽창하는 시장을 누가 제패하느냐만 남아있는 것이다. 현재 중국업체들에 의해 주도되고 있는 저가격화는 일부 스페셜 품목을 제외하고는 내년에 거의 50달러/kg 수준에 도달하리라 생각한다. CNT의 수요는 고전도성 카본블랙의 대체와 고분자-복합재, 전지, 에너지, 방열, 대전방지, 무기재료-복합재로의 신규 시장의 발현을 목전에 두고 있다. 월드튜브의 CNT 기술은 비록 완제품은 아니나 융합소재로서 없어서는 안될 국가경제의 전략소재임에 틀림없는 사실이며, 선진국들에서 탐내는, 한창 매진하고있는 핵심 기술이다. 지난 7월 매경미디어센타에서 열린 ‘매경 이코노미스트 클럽’ 초청 강연에서 황창규 지식경제부 R&D 전략기획단장은 “국가 연구개발 발전을 위해 해외의 좋은 특허도 과감히 사들여, 우리것으로 상용화하는 개방형 혁신 전략”의 필요성을 강조하고 “우리나라 R&D는 칸막이 연구 시스템이며 분야별 중복성이 많다”며 “국가 R&D의 뿌리이면서 큰 줄기인 메타플랜이 반드시 있어야 한다”고 지적해 많은 공감을 얻은 바 있다. 이러한 핵심 기술은 국가가 적극적으로 관리해 3~5년후 먹거리를 걱정하는 우리나라 기업들에게 값싸게 제공하면, 이미 조성된 풍부한 대학, 연구소 등 연구 인프라와 어우러져 ‘부품소재 강국’, ‘해가 지지않는 강소기업’을 만들 수 있을 것이다.