에너지 문제, 신소재 개발과 융복합화가 대안

■점점 커지는 에너지 효율의 중요성
최근 IEA에선 세계 에너지 전망 보고서를 내놓으면서 전 세계 국가에 대해 현재와 같은 에너지 소비 형태가 지속될 경우에 대해 일종의 경고 메시지를 보냈다. 보고서는 향후 비OECD 국가들은 2010년과 2035년 사이 전 세계 인구 성장의 약 90%, 에너지 소비 증가의 90%를 차지할 것으로 예상되며 이로 인해 2035년이 되면 전 세계 에너지 수요가 비약적으로 증가, 2010년 대비 약 30% 이상 늘어날 것으로 예상했다.

또한, 2035년에는 에너지 관련 이산화탄소 배출량이 2010년 304억톤에서 364억톤으로 증가해 장기적으로 세계 평균 온도가 섭씨 3.5도 정도 상승할 것으로 예상하고 있다. 그것도 현재 각국 정부가 계획하고 있는 다양한 환경, 에너지 정책들을 적극적으로 실행한다는 것을 전제한 것으로 만약 신규 정책의 실현 없이 현재 상태로 진행된다면 2035년 에너지 관련 이산화탄소 배출량이 433억톤으로 증가해 장기적으로 평균 온도가 섭씨 6도 상승해 인류의 생존을 위협하는 수준이 될 것으로 예상하고 있다.

보고서는 이러한 상황에서 각국 정부의 에너지 효율 향상을 위한 적극적인 정책이 절실히 필요하며 향후 각국의 적극적인 에너지 절약 움직임이 미래 에너지 부족 문제를 해결하고 지구 환경을 보전할 수 있는 중요한 요소임을 강조하고 있다.

지난해 일본 원전 사태로 인해 불거진 원자력 발전에 대한 불신감 그리고 세계 경기 침체 및 유럽 재정 불안 요소 확대 등으로 세계 기후 변화 협약에 대한 각국의 의지가 점점 약화되는 현실만 보더라도 미래 지구 환경이 그리 낙관적일 수 없다고 짐작된다. 신재생에너지가 중요 에너지원으로 대두될 것이라는 희망적인 견해도 있지만 향후 에너지 소비 증가의 상당 부분을 차지하고 있는 중국, 인도 등에서는 비용이 비싼 신재생에너지보다는 비교적 쉽게 확보할 수 있는 화석 에너지에 우선적으로 눈을 돌릴 가능성이 높다. 이러한 상황에서 앞으로 에너지를 효율적으로 이용하는 것의 중요성은 점점 더 커질 것으로 예상된다.

에너지를 효율적으로 이용하려는 노력은 선진국을 중심으로 확대되고 있으며 실제로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 다양한 기기들이 개발되고 있다.

일본의 경우 올해 경제 산업성의 산업 기술 관련 예산을 보면 일본이 안고 있는 에너지, 환경 제약 등 구조적 과제를 극복할 수 있는 중요 프로젝트로 고효율, 초저소비 절전형 소재 및 기술 개발 그리고 재생 가능 에너지나 전기 자동차 보급 확대에 필요한 부품 및 소재 개발 등이 포함돼 있다.

또 EU 집행위원회는 ‘에너지 2050 계획’에서 가장 중요한 요소로 ‘에너지 효율 및 신재생에너지 사용’을 지적했으며 미국 오바마 정부도 최근 빌딩에서의 에너지 효율 개선을 위해 약 40억달러를 투자하는 등 효율적인 에너지 사용에 대한 정부 차원의 움직임이 서서히 나타나고 있다.

이러한 에너지 효율 개선의 움직임에서 부품 및 소재가 차지하는 비중은 상당할 전망이다. 왜냐하면 획기적인 에너지 효율 개선은 소재·부품 개선 없이는 거의 불가능하고 실제로 최근 풍력, 태양광 등 신재생 에너지 사업에서 어떤 소재를 사용했느냐에 따라 성능이나 가격이 크게 바뀌기 때문이다. 앞으로도 에너지 효율성이 강조되면서 소재를 중심으로 한 기술 개발이 더욱 활력을 받을 것으로 예상된다.

에너지 효율성 재고위한 소재 개발 각광

발전, 수송, 생활 등 다양한 분야에 적용

▲ ▲시나리오별 세계 에너지 관련 CO2 배출량 전망(자료 : World Energy Outlook 2011, IEA). ▲시나리오별 세계 에너지 관련 CO2 배출량 전망(자료 : World Energy Outlook 2011, IEA)

■에너지 효율 제고형 유망 소재·부품
향후 에너지 효율 개선 측면에서 주목 받고 있는 부품 및 소재 분야는 ‘발전 등 에너지 전환 부문의 유망 소재·부품’, ‘수송용 부문의 유망 소재·부품’, ‘가정·상업·산업용 부문의 유망 소재·부품’, ‘폐기 에너지 회수 부문의 유망 소재·부품’ 등 네 분야로 구분된다.

또 네 분야 각각의 세부항목을 살펴보면 ‘발전 등 에너지 전환 부문의 유망 소재·부품’에서는 ‘풍력발전 소재’, ‘태양전지 소재’, ‘연료전지 소재’, ‘화력발전 소재’ 이렇게 네 가지 분야가 있고 ‘수송용 부문의 유망 소재·부품’에선 ‘경량화 소재’, ‘자동차용 2차전지 소재’ 이렇게 두 가지 분야가 주목받고 있다.

‘가정·상업·산업용 부문의 유망 소재·부품’분야에서는 ‘전력 반도체 소재’, ‘LED/OLED 소재’, ‘단열 소재’ 이렇게 세 가지가 있고 ‘폐기 에너지 회수 부문의 유망 소재·부품’에선 ‘열전 소재’, ‘압전 소재’ 그리고 ‘바이오 플라스틱 소재’가 부각되고 있다.

◇풍력발전 소재
에너지 전환 과정은 크게 석유, 석탄 등을 사용해 전력을 생산하는 기존 발전 방식과 풍력, 태양광 등 재생 가능 에너지를 사용해 전력을 생산하는 방식이 있다.

재생 가능 에너지의 경우 풍력 발전과 태양광 발전의 비중이 가장 크고 기술 발전 속도도 다른 재생 가능 에너지에 비해 빠르다. 풍력 발전의 경우 최근 원가 경쟁력이 어느 정도 확보되면서 급속히 성장하는 추세로 풍력발전 설비에 있어 가장 중요한 부품 중 하나인 영구 자석에 대한 수요가 급속히 늘고 있다. 또한 발전 효율을 더욱 향상시키기 위해 블레이드를 대형화하려는 시도가 이뤄지면서 대형 블레이드에 적합한 새로운 소재 개발이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 현재 가격 경쟁력 확보를 위해 비교적 가격이 싼 유리섬유로 보강한 유리섬유 강화 플라스틱이 주로 사용되지만 120미터가 넘는 블레이드 제조를 위해서는 유리섬유에 비해 기계적 성질이 좋은 탄소섬유를 추가로 사용해야 한다. 최근 탄소섬유와 유리섬유를 결합시킨 하이브리드 형태로 보강된 플라스틱이 개발되고 있으며 앞으로 탄소섬유 사용 비중은 점차 높아질 것으로 예상된다.

탄소섬유에 대한 수요 중 풍력 발전의 수요가 가장 크다. ICIS Chemical Business에 따르면 2015년에는 풍력 발전용 탄소섬유 수요가 2010년 약 1만톤 대비 약 4배, 2019년엔 6배 이상 증가할 것으로 전망하고 있다.

▲ ▲에너지 효율 개선이 가능한 에너지 소비 과정. ▲에너지 효율 개선이 가능한 에너지 소비 과정

◇태양전지 소재
태양전지의 경우 전체 원가에서 가장 높은 비중을 차지하고 있는 부분이 소재이기 때문에 소재에 대한 관심이 상당히 높다. 태양전지 소재로서 결정질 실리콘 외에 실리콘박막, CIGS(Copper, Indium, Gallium, Selenide)박막, CdTe박막, 유기염료 등 다양한 소재가 개발되고 있으며 각 소재마다 장단점이 달라 태양전지를 사용하는 용도에 따라 소재를 달리 사용하고 있다.

최근 태양전지의 원가 경쟁력 확보를 위해 저가의 고효율 소재 개발이 가장 중요한 이슈로 대두되고 있다.

결정질 실리콘은 원료인 폴리실리콘 가격이 높아 상대적으로 가격이 비싸지만 상대적 효율이 높다. 특히 단결정질의 경우 최고 수준의 효율을 가질 수 있을 것으로 알려져 많은 기업들이 관심을 갖고 적극 개발 중이다. CIGS, CdTe 등 박막형 태양전지의 경우 아직 기술적으로 안정적이지 않아 생산 기업이 그리 많지 않지만 가격이 낮다는 장점으로 인해 기술 발전에 따라 점차 성장할 것으로 예상된다.

◇연료전지 소재
앞으로 에너지 효율이 중요해지면서 연료전지 또한 점차 주목 받고 있다. 기존 발전 인프라의 경우 송전에서 손실이 발생하고 발전 과정에서 온실 가스 등 유해 가스가 대규모로 발생한다는 단점이 있지만 연료전지는 연료전지의 원료인 수소의 수송과정에서 손실이 거의 없고 공해물질이 발생하지 않기 때문에 지속적인 기술 개발이 이루어진다면 중요 발전 수단으로 대두될 전망이다.

이러한 중요성으로 인해 현재 선진국을 비롯한 여러 국가에서 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 고분자 전해질 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 용융 탄산염 연료전지, 인산형 연료전지, 알칼리 연료전지 등 다양한 형태의 연료전지가 연구되고 있다.

세계 최초로 본격적인 고정 설치용 연료전지 시장을 창출한 일본의 경우 원전 사고 이후 전력의 불안정한 공급으로 인해 가정에서 사용할 수 있는 소형 연료전지에 대한 관심이 더욱 급증하면서 소형 고분자 전해질 연료전지, 고체 산화물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 후지 경제에 따르면 일본의 연료전지 시장 발전에 힘입어 세계 가정용 연료전지 시장이 2025년이 되면 2010년 대비 80배 증가해 약 165억달러가 될 것으로 전망하고 있다. 특히 고분자 전해질 연료전지와 고체 산화물 연료전지의 소재인 고분자 전해질과 고체 산화물 전극 소재에 대한 연구가 집중되고 있다.

▲ ▲2000년대 중반 이후 항공기 내 복합소재 사용 급증(자료 : Platts Horizon, Autumn 2011). ▲2000년대 중반 이후 항공기 내 복합소재 사용 급증(자료 : Platts Horizon, Autumn 2011)

◇화력 발전 소재
화력 발전의 경우 최근 일본 원전 사태 이후 기저 발전의 위상을 더욱 공고히 하면서 발전 효율성이 한층 강화된 초임계압이나 초초임계압 발전 방식에 대한 관심이 크게 늘어나고 있다. 이들 발전 방식은 기존 발전과 달리 섭씨 700도가 넘는 고온에서 작동하기 때문에 발전소에서 가장 중요한 부분인 가스터빈에 사용되는 소재의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 현재 가장 적합한 소재로서 초내열 합금강이 대두되고 있다. 최근 IGCC 등과 같이 친환경적이면서 또한 발전 효율이 크게 향상된 발전 방식이 개발되면서 고온 및 대형 가스 터빈을 위한 초내열 합금강 개발에 대한 관심이 더욱 높아질 것으로 예상된다.

◇경량화 소재
수송 분야에서의 에너지 효율 개선은 북미나 유럽의 환경 규제 강화로 인해 반드시 해결해야 하는 중요 과제 중 하나다. 경량화는 이를 해결하기 위한 가장 중요한 해결 방법이 되고 있으며 이 때문에 경량화 소재에 대한 관심이 집중되고 있다. 경량화소재로 주목받고 있는 것은 크게 금속 계열과 비금속 계열로 나눌 수 있으며 금속 계열은 기존 철강에 비해 가벼우면서도 물성이 뛰어난 고강도 철강뿐만 아니라, 마그네슘, 알루미늄 등을 이용한 합금이 대표적이다. 한편 비금속 계열로서는 과거 플라스틱이 주로 사용됐지만 최근 유기 소재인 플라스틱과 클레이 등의 무기 소재를 복합해서 만든 유무기 복합소재와 탄소섬유 복합소재 등이 단연 두각을 나타내고 있다.

◇자동차용 2차전지 소재
기존 자동차에 비해 연비가 크게 개선된 하이브리드 자동차나 전기자동차도 급속히 성장하고 있다. 이러한 현상이 일시적 유행에 머물지 않고 하나의 트렌드로 자리 잡을 것으로 예상되면서 전기 자동차의 핵심 부품인 2차 전지에 대에 큰 관심이 쏠리고 있다.

지금까지 2차 전지는 주로 소형 모바일 기기에 사용돼 왔으나, 전기 자동차용 수요가 확대되면서 고용량, 고출력, 안전성 강화 등 전기 자동차에 적합한 전용 전지 개발이 요구 되고 있다. 2차전지의 주요 소재인 전극 소재 개발을 위해 여러 기업들이 연구하고 있으며 현재음극재로서 흑연이나 Hard Carbon 등 탄소 소재가, 양극재로서 리튬과 코발트, 망간 등을 합성해서 만든 소재가 사용되고 있다. 주요 연구 방향은 고용량을 위해 음극재로 실리콘계 내지 주석계 합금 소재 그리고 양극재로는 가격이 비싼 코발트 대신 니켈이나 리튬 함량을 증가시켜 고용량, 저가격을 실현시킬 수 있는 소재를 개발하는 것이다.

한편 현재 초기 연구 단계에 있는 리튬황전지, 리튬공기전지 등이 차세대 소재로 꼽히고 있다.

▲ ▲SiC 소재 세계시장 규모 전망(자료 : Yole Development Silicon Carbide 2010). ▲SiC 소재 세계시장 규모 전망(자료 : Yole Development Silicon Carbide 2010)

◇전력 반도체 소재
가정·상업·산업용 부문에서는 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 전력 반도체에 대한 관심이 집중되고 있다. 전력 반도체란 전력 변환 시스템에 사용되는 반도체로 대표적인 전력 변환 시스템으로는 교류를 직류로 변화시키는 정류 장치, 직류를 교류로 변환시키는 인버터 등이 있다. 전력 변환 시스템은 그동안 전동기 제어, 고급 가전제품의 전원 장치 등에 널리 사용돼 왔다.

전력변환장치의 문제는 이러한 전력 변환 과정에서 전력 손실이 발생하며, 전력 손실은 곧바로 열에너지로 전환돼 시스템의 안정성에까지 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 최근 이러한 전력 손실을 획기적으로 줄일 수 있는 반도체 기판 소재가 개발되고 있는데 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 산화아연(ZnO) 등이 이에 해당된다.

실례로 초고순도 SiC 소재를 적용한 SiC 에너지 반도체 소자는 기존의 실리콘 소자 대비 인버터와 컨버터의 에너지 효율을 개선함으로써 에어컨의 경우 전력 손실의 약 70% 감소, 산전 기기의 경우 스위칭 속도 4배 향상 및 전력 손실 50% 감소를 이뤘다. 이러한 절감 효과로 인해 차세대 반도체 소재로 불리우는 SiC, GaN, ZnO 소재에 대한 연구가 기업과 학계를 중심으로 활발히 진행되고 있다.

◇LED·OLED 소재
기존 조명기구·디스플레이에 비해 저전력 소비 및 긴 수명의 특징을 가진 LED와 OLED가 미래의 중요 제품으로 주목을 받고 있는 상황이다. 특히 LED는 대형 TV 나 노트북의 백라이트로 사용되면서 급속히 성장하고 있다.

반면 LED의 많은 장점에도 불구하고 가격이 워낙 비싸 고전을 면치 못하고 있는 조명시장 도 향후 기술 발전에 따른 원가 절감 및 에너지 효율에 대한 니즈 증가 등으로 빠른 성장을 할 것으로 예상된다.

OLED는, 무기 발광소재를 사용하는 LED와 달리 유기 발광소재를 사용해 향후 응용 분야가 소형 디스플레이뿐만 아니라 플렉시블 디스플레이 등으로 확대될 것으로 기대되고 있다. LED와 OLED는 각각 발광 소재에 의해 특성이 결정되므로 우수한 발광 특성을 갖는 발광 소재 개발이 가장 중요하다. 적색 LED에는 인화갈륨(GaP) 계열 반도체 등이 사용되며, 녹색 및 청색에는 인듐갈륨질소(InGaN), 그리고 자외선은 GaN 등이 사용되고 있다. 현재 고효율이 개발된 적색 및 청색과 달리 녹색은 고효율이 개발되지 않아 고효율 녹색 발광소재 개발이 중요하다.

그밖에 LED는 높은 효율과 휘도를 구현함에 있어 발광 소재뿐만 아니라 기판 소재의 특성도 중요하다. 현재 LED용 기판으로 사파이어가 가장 많이 사용되며 그외 ZnO, SiC, GaN 기판들도 개발 중이다.

한편 OLED는 인광 발광소재와 형광 발광소재로 구분되며 차세대 소재라 할 수 있는 인광 발광소재에는 이리듐을 포함하는 유기 금속 화합물이 사용되고 있다.

◇단열 소재
건물에서의 에너지 소비를 획기적으로 줄이기 위해서는 건물의 단열이 매우 중요하다. 예전부터 발포스타이렌 수지(일명 스티로폼)나 폴리우레탄 등의 단열재가 많이 사용돼 왔으나 단열재를 많이 사용할수록 건축물의 벽 두께가 점점 두꺼워져서 공간이 줄어들고 결과적으로 건축비가 상승하는 문제가 야기돼 얇으면서도 단열 효과가 뛰어난 단열재에 대한 니즈가 점점 늘어나고 있다.

최근 단열 효과가 획기적으로 개선된 진공 단열재가 개발되면서 차세대 건축 자재로 주목을 받고 있다. 진공 단열재란 기밀성을 갖는 봉지재에 그라스울이나 흄드실리카 등을 넣고 내부를 진공으로 처리한 제품으로 기존 단열재에 비해 최고 10배의 단열 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

◇열전 소재
그동안 버려져 왔던 에너지를 회수하는 소재로서 열전, 압전 소재 등이 주목을 받고 있다. 열전 소재란 열에 의한 물질 내 전하의 이동현상에 의해 발생하는 전하이동 현상을 이용, 열을 전기에너지로 변환시키는 열전 변환기술을 이용한 소재다. 열전 변환 기술은 오래 전에 개발됐지만 낮은 변환 효율 등으로 상업화가 부진하다가 최근 소재 분야에서 나노 차원의 제어 기술이 발달하면서 주목을 받고 있다.

이 소재를 사용하면 그동안 버려져 왔던 산업폐열뿐만 아니라 자동차의 폐열 등에서 에너지를 생산할 수 있고 나아가 원격 측정 장치용 전원이라든지 휴대용 발전기용 등 소형발전기용 소재로 사용될 수 있다. 현재 Bi-Te계를 사용하기 위한 연구가 진행 중이며 아직 초기 연구 개발 수준으로서 미국, 일본, 독일 등에서 정부 지원 하에 연구가 이루어지고 있다.

이와 함께 도심 내에 열섬 현상으로 에너지 소비가 가중되는 문제를 해결하기 위해 차열도료가 주목을 받고 있다. 차열도료의 주요 원리는 도료가 건축물로 흡수되는 태양 열에너지를 차단함으로써 건물 내부 온도 상승을 막아주는 것이다. 그밖에 다공성 소재를 넣어 단열 효과를 가미한 단열도료 그리고 차열도료의 단점을 보완한 열 교환도료 등이 주목을 받고 있다.

기술개발 한계…융복합화가 대안

폐쇄적 기술 확보 아닌 열린 협력 필요

▲ ▲일본 도쿄역에 설치된 압전매트 발전기. ▲일본 도쿄역에 설치된 압전매트 발전기

◇압전 소재
압전 소재는 소재에 압력을 가하여 변형이 나타나면서 전기적인 극성이 일어나는 소재를 말한다. 압전 기술은 주로 무선 센서 네트워크용 전원이나 대용량 압전 발전 시스템으로 개발될 수 있다. 주요 소재로는 무연압전세라믹, 압전단결정, 압전폴리머 등이 있다. 기술력에서 가장 선두에 있는 일본의 경우 일본 도쿄역에 압전매트를 설치해 사람들이 밟으면서 생기는 압력을 전기 에너지로 변환, 전력을 생산하는 등 시범 사업을 진행하고 있다.

◇바이오 플라스틱 소재
식용 자원을 원료로 이용하는 기존 바이오 플라스틱과 달리 폐목재나 볏짚 등 폐자원을 원료로 사용해 바이오 제품을 생산할 수 있는 기술도 주목을 받고 있다. 이러한 기술은 폐자원을 활용, 기존 석유 기반의 석유 제품 및 석유화학 제품을 대체할 수 있어 미래 유망 기술 중 하나로 꼽히고 있다. 주요 제품으로는 셀룰로오스 수지라든지 폴리유산(Poly Lactic Acid, PLA) 등 바이오 플라스틱이 이에 해당된다.

▲ ▲에너지 효율 제고를 위한 산업별 주요 트렌드와 유망 소재·부품. ▲에너지 효율 제고를 위한 산업별 주요 트렌드와 유망 소재·부품

■융복합 기술 확보 필요
앞에서 살펴봤듯이 향후에는 에너지 효율성이 향상된 다양한 제품에 대한 요구가 점점 확대되면서 소재 부품 기업들은 이러한 변화에 보다 적극적으로 대응할 필요가 있다. 앞으로 수요 산업의 요구에 빠르게 적응하는 소재 부품 기업들과 그렇지 못한 기업 간의 격차는 점점 벌어질 것으로 예상된다. 소재 부품 기업들이 수요 산업의 요구에 빠르게 대응하기 위해서는 좀 더 수요 산업 관점에서 사업을 바라보는 시각이 필요하다.

또한 소재 부품 기업들은 기존에 가지고 있던 역량 이상의 능력을 확보하고자 하는 노력이 절실히 필요하다. 앞에서 언급한 소재들을 보면 유기 소재와 무기 소재를 결합한다든지 아니면 다양한 금속을 결합한다든지 다양한 소재를 복합하는 경우가 많다. 최근 산업 전반에 걸쳐 ‘융복합화’라는 말이 유행하듯이 소재 부품 기업들도 ‘융복합 기술’을 확보하는 것이 점점 중요해질 것으로 예상된다. 과거처럼 유기 소재 관련 기업이 유기 관련 지식만으로 살아가기가 점점 어려워진다는 얘기다. 유기 소재 기업들이라고 하더라도 무기 소재나 금속 소재의 기술을 얻기 위한 노력이 필요하며 이를 위해 자기 분야만 고집하는 자세를 버리고 좀더 열린 자세로 외부와의 협업에 적극적으로 임하는 것이 중요하다.

실제 외국의 듀폰(DuPont), 아르케마(Arkema), 쇼와덴코(Showa Denko) 등의 기업들은 환경, 에너지 등 미래 메가트렌드를 인지하고 유기, 무기, 금속 복합 소재 개발을 적극적으로 추진하고 있으며 이를 위해 관련 선두 기업을 인수하는 등 기술 확보에 적극적이다.

향후 융복합소재가 부상하면서 유기, 무기, 금속소재 기업 간 즉 이종 소재 기업 간의 경쟁이 더욱 심화될 가능성이 높다. 이럴수록 소재 부품 기업들은 앞으로 수요 산업 중심의 관점 변화 그리고 다양한 분야의 기술을 획득하려는 열린 자세를 갖추는 것이 절실히 필요할 것으로 예상된다.