에너지・환경 세라믹스 분야

한 인 섭,  조 준 식,  양 태 현,  신 경 희,  유 지 행_ 한국에너지기술연구원

우리나라는 에너지다소비 국가로 에너지소비 증가율은 여전히 최상위에 속하고 있는 반면, 소요에너지의 전량을 수입에 의존하고 있는 실정으로 에너지의 안정적 확보, 에너지 저소비형 경제・사회구축, 기후변화협약의 효율적 대응 등 국가적인 과제를 안고 있다. 에너지 및 환경이슈에 대한 이러한 도전들을 비용 효과적으로 슬기롭게 극복하기 위하여 신에너지 기술 개발에 대한 시대적 요구가 증가하고 있으며, 선진 각국들은 고효율, 고성능 에너지 절약기기 및 대체에너지 기기의 개발을 통한 에너지기술력의 강화로 신에너지・환경 산업의 독자적 기술기반을 구축하여 차세대 에너지 시장을 선점하기 위하여 선의의 경쟁을 하고 있다.
본고에서는 현재 이슈가 되고 있는 에너지・환경 세라믹 소재를 태양전지, 이차전지, 연료전지 분야와 기능성 분리막 소재, 극한환경용 섬유강화 복합소재로 분류하여 이에 대한 현황 및 전말을 기술하고자 한다.

1. 태양전지 소재 기술현황 및 전망

가. 서론

그림 1. 연도별 전세계 태양전지 신규설치량 변화(2000 ~ 2012년)           

 (출처 : Global Market Outlook for Photovoltaics, EPIA, 2013)

태양전지는 태양빛이 가진 광에너지를 직접 전기로 변화시켜주는 반도체 소자로서 광기전력 효과를 이용하는 광전변환 소자이며 태양광발전의 가장 기본단위이다. 태양광 시장은 화석연료 고갈에 대한 대체에너지 개발 및 온실가스 저감을 위한 청정에너지 개발, 그리고 지속가능한 미래 에너지원 확보를 위한 각국 정부의 신재생에너지 보급 정책에 따라 급속히 성장하여 왔다.
2012년 태양광 신규설치 규모는 약 31.1GW로 2000년부터 연평균 50% 이상의 높은 성장률을 나타내고 있다. 태양전지 시장은 독일을 중심으로 하는 기존의 유럽 시장과 함께 미국, 일본 등의 선진국과 중국, 인도, 브라질과 같은 신흥 태양광 국가까지 폭넓게 확대되어 나가고 있다.
그러나 이런 성장세에도 불구하고 화석연료를 사용하는 기존 발전 방식에 비하여 높은 발전단가는 태양광발전의 보급 및 확대를 위하여 해결되어야 할 문제로 남아 있으며, 이를 위하여 태양광발전 시스템 단가의 50% 이상을 차지하는 태양전지의 경제성 확보는 필수적인 선결과제라 할 수 있다. 따라서 태양전지의 경제성 확보를 위한 고효율화 및 저가화 기술개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.

나. 태양전지 기술현황

태양전지는 광흡수층으로 사용되는 소재의 종류에 따라 크게 실리콘, 화합물 반도체, 염료감응 및 유기 태양전지 등으로 구분될 수 있다. 또한 기술의 성숙도에 따라 상용화가 많이 진행되어 있는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지를 1세대 태양전지, 실리콘과 화합물 반도체를 박막형태로 제조하는 박막 태양전지를 2세대 태양전지, 그리고 염료감응을 포함한 유기소재와 유무기 복합 소재, 양자점 등을 이용한 태양전지를 3세대 태양전지로 분류하기도 한다.

그림 2. 결정질 실리콘 태양전지 예(a) 단결정 셀,(b) 다결정 셀,(c) 박형 셀,(d) 모듈

그림 2. 결정질 실리콘 태양전지 예(a) 단결정 셀,(b) 다결정 셀,(c) 박형 셀,(d) 모듈

이를 소재 중심으로 보면 단결정이나 다결정 실리콘 웨이퍼를 활용한 결정질 실리콘 태양전지가 태양전지 시장의 80% 이상을 차지하고 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 실험실 수준에서는 PERL(Passi-vated Emitter Rear Locally-diffused solar cell) 구조를 이용하여 25%에 달하는 변환효율을 달성하고 있다.
이외에도 고효율 기술로는 금속 전극을 실리콘 웨이퍼 기판 뒤쪽에 배치한 후면전극(back contact) 구조에서 24%에 이르는 효율 결과를 나타내고 있으며, 실리콘 기판 위에 비정질 실리콘 박막을 증착한 HIT(Heterojunction with intrinsic thin-layer) 구조의 태양전지도 높은 효율결과를 나타내고 있다.
현재 상용화가 진행되고 있는 태양전지도 20%가 넘는 높은 효율을 나타내고 있다. 그러나 결정질 실리콘 태양전지는 150~200μm 두께의 실리콘 기판을 사용하고 있어 원소재 사용량이 많고 잉곳(ingot)으로부터 기판 제조 시 Kerf loss가 발생하여 소재 소모량이 많다.
또한 소재-잉곳-웨이퍼-태양전지-모듈에 이르는 복잡한 제조공정으로 인하여 가격저감에 많은 한계를 갖고 있다. 따라서 태양전지 경제성 확보를 위하여 실리콘 기판의 두께를 획기적으로 줄이고 Kerf loss 없이 얇은 두께의 실리콘 기판을 제조하려는 박막형 태양전지 기술개발이 활발히 진행되고 있다.
박막 태양전지는 광흡수층으로 1~2 μm 내외의 얇은 박막을 사용함으로써 원소재 사용량이 결정질 실리콘 태양전지에 비하여 100분의 1 수준이며 제조공정이 매우 단순하고 일괄적으로 이루어져 태양전지 저가화에 매우 유리한 기술로 알려져 있다. 대표적으로 기술개발이 활발히 이루어지고 있는 분야는 CIGS 화합물과 실리콘 박막 태양전지이다. CIGS 박막 태양전지는 다결정 실리콘 태양전지에 버금가는 20% 이상(실험실 수준)의 높은 효율로 주목을 받고 있다. CIS(CuInSe2) 소재는 I-III-VI2족 chalcopyrite계 화합물 반도체로 밴드 갭이 약 1.0 eV이며 태양전지에 가장 이상적인 밴드 갭인 1.4 eV를 맞추기 위하여 In의 일부를 Ga으로 Se의 일부를 S로 치환하며, 이 경우 CIGSS {Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2}의 5원 화합물이 광흡수층으로 사용된다. CIGS 박막 태양전지 제조를 위하여 동시진공증발법(coevaporation)과 스퍼터링(sputtering)+셀렌화(selenization)법이 대표적으로 사용되고 있으며, 제조비용 절감을 위하여 진공 공정이 아닌 나노입자나 용액을 이용한 프린팅, 전해도금 등을 사용하는 비진공 공정개발도 진행되고 있다. 또한 고가이며 희귀금속인 In과 Ga을 Zn 및 Sn으로 대체하는 CZTS(Cu2(ZnSn)Se4) 태양전지 개발도 병행하여 개발되고 있다. 현재 상용화되고 있는 CIGS 양산모듈은 약 13%정도의 효율을 나타내고 있는 것으로 알려져 있다.
실리콘 박막 태양전지는 광흡수층으로 사용되는 실리콘의 결정 특성에 따라 수소 부동태화된 비정질 실리콘(hydrogen passivated amorphous silicon; a-Si:H)과 미세결정질 실리콘(hydrogen passivated microcrystalline silicon; μc-Si:H)으로 나누어진다. 단일접합 실리콘 박막 태양전지의 경우 약 10% 내외의 효율을 나타낸다. 따라서 효율 향상을 위하여 2~3개의 태양전지를 적층하는 다중접합(Multi-junction) 태양전지가 개발되고 있으며, a-Si:H/a-Si:H, a-Si:H/a-SiGe:H, a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H, a-Si:H/μc-Si:H, a-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H 등의 다양한 형태로 적층구조가 이루어지고 있다. 현재 삼중접합 실리콘 박막 태양전지에서 소면적 기준으로 16% 수준의 초기 효율과 13% 수준의 안정화 효율을 나타내고 있다.
상용화 되고 있는 대면적 모듈은 약 10% 내외의 효율을 나타내고 있어 결정질 실리콘이나 CIGS 박막 태양전지와 경쟁하기 위해서는 추가적인 효율향상을 위한 기술개발이 요구되고 있다.

그림 3. 다양한 박막 태양전지 상용화 모듈

태양전지 저가화에 매우 유리한 기술로 고려되고 있는 염료감응과 유기 태양전지의 기술개발도 활발히 진행되고 있으며, 효율(소면적 기준)도 12%에 이르고 있다. 다양한 광흡수층 소재와 소자구조 개발이 진행되고 있어 향후 지속적인 효율증가가 예상되며 최근 페로브스카이트(perovskite) 소재를 이용한 태양전지의 경우 14%가 넘는 효율을 보고하고 있지만 아직까지 장기안정성 문제 등 상용화를 위해서 해결해야 할 문제점들이 남아 있어 장기적인 관점의 기술개발이 필요할 것으로 판단된다.

다. 향후 전망

현재 태양전지 시장의 80% 이상을 차지하고 있는 결정질 실리콘 태양전지와 더불어 향후 제조단가 절감의 잠재력이 큰 박막 태양전지의 시장도 점차 확대되어 나갈 것으로 예측된다. 응용측면에서도 기존의 대용량발전 중심에서 BIPV(Building Integrated PV), DIPV(Device Integrated PV) 및 휴대용 기기전원과 전기자동차 전원 등으로 확대되어 갈 것으로 전망된다.
태양전지의 경제성 확보와 이를 통한 태양광발전 보급 및 확대를 위해서는 저가, 고효율 태양전지의 개발이 필수적이며, 이를 위한 새로운 소재, 소자 구조, 공정 및 장비 개발 등이 반드시 이루어져야 한다.
이를 위하여 유럽, 일본, 미국 등의 태양광 선진국은 중장기기술개발 로드맵을 설정하여 기술개발을 추진하고 있다. 따라서 우리나라도 향후 미래신산업 분야로 떠오르고 있는 태양전지 산업의 국가 기술경쟁력 확보와 시장선점을 위하여 정부 및 산학연이 중심이 되어 중장기적인 기술개발 계획을 수립하고 보다 많은 투자와 노력을 기울여야 할 것이다.

2.연료전지 소재 기술현황 및 전망

가. 서론

연료전지는 연료의 화학에너지를 열과 기계적인 에너지변환 과정을 거치지 않고 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환시키는 발전장치이다. 발전효율이 높고 광범위한 적용성과 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 친환경성으로 소음과 유해 배기가스 배출이 거의 없어, 화석연료 고갈과 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 녹색 신성장동력 기술로 가장 효율적으로 수소 에너지 변환기술로 수소경제사회를 위한 관건이 되는 기술이다. 건물용(가정용), 수송용, 휴대용, 발전용 연료전지 등 다양한 용도에 적용이 가능하다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고유한 특성을 가지며 크게 알카리형 연료전지(Alka-line Fuel Cell, AFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)로 구분된다.
또한 작동온도에 따라 고온형과 저온형으로 구분되는데, PAFC, PEFC는 상온에서부터 200℃이하에서 작동되어 저온형으로 분류되며, 시동시간이 짧고 부하변동이 뛰어나지만, 효율이 상대적으로 낮고 고가의 백금을 전극으로 사용하는 단점이 있다. MCFC, SOFC 등 고온형은 600℃이상에서 작동되며 전극 촉매로 니켈과 같은 일반 금속 촉매를 사용하며, 발전효율이 높고, 고출력이지만 시동 시간이 오래 걸리는 단점을 가진다.
연료전지 시스템의 세계시장은 2020년 22조원, 2025년 66조원 규모로 추정되고, 2010년까지 누적 75,000대 이상의 연료전지가 보급되었으며, 2010년 발전용(주택·건물용 포함), 휴대용 및 수송용 연료전지시스템 등 약 30,000대가 보급되었다.
연료전지 시장 분석 보고(J-economic Center, 솔라앤에너지, 후지경제)에 의하면 2020년 이후 연료전지 가격경쟁력이 가능해지면서 비약적으로 성장할 것으로 예측하고 있다. 2025년경 연료전지 세계시장 규모는 66조원으로 예측하고 있으며, J-economic Center는 21조(14,500억 엔)으로 예상하고 있다. 이러한 연료전지 산업과 기술개발의 국내외 현황을 조사 분석하였다.

나. 국내 연료전지 기술 동향

국내 건물용 연료전지는 그린홈 보급사업과 연계하여 국산화 양산 기술개발과 시범보급 사업을 추진 중이다. 2006년부터 시행된 ‘가정용 연료전지 모니터링 사업’으로 2012년까지 누적 500 여대의 연료전지 시스템 실증연구가 진행되었으며, 이를 통하여 시스템 안정성 및 내구성 확보를 통한 상용화 기반이 조성되었다. 2013년 울산에 국산 건물용 연료전지를 도입 세계 최대 규모의 수소타운을 건설하였다. 울산 미포산업단지 및 온산 국가산업단지에서 생산되는 상당량의 수소를 사용하여 전기와 열을 생산, 가정과 사무소에서 사용하고 있어 국내 value chain 형성 및 산업기반 확립을 위한 시범보급사업 확대가 필요하다.
선진국의 경우 소재, 부품, 시스템, 유통 등의 su-pply chain이 잘 형성되어 있으나, 국내는 관련 supply chain 형성이 미숙하며 부품 국산화, 시스템 설계·제작·운전 기술개발 중심으로 투자 확대 중이다. 건물용 시스템 업체인 퓨얼셀파워, 효성, GS칼텍스, 현대 하이스코를 중심으로 투자가 확대되고 있으며, 부품 및 소재를 위한 연구개발이 증가하고 있다.
구성요소/스택/모듈은 국내 소수업체에서 제작이 가능하지만, 양산 경험 및 설비가 매우 부족한 실정이다. 시스템 통합 기술력은 보유하고 있지만 BOP 등 대부분이 외국 제품에 의존하고 있는 실정이다. BOP 관련해 다수의 국내 관련 업체가 존재하며, 이들의 관련 기술 및 생산 능력은 높은 수준에 도달한 상태이다. 건물용 연료전지는 도시가스를 연료로 하는 1㎾e급이 대표적이나 향후 다양한 연료 및 응용으로 시장을 확대해 나갈 것이다.
국내 연료전지 자동차(FCV) 기술개발은 현대차에서 주도적으로 진행 중이다. 현대차는 올 3월 세계 최초로 울산 공장 내 전용공장에서 투싼ix FCV 양산을 시작했다. 한번의 수소 충전으로 500㎞ 이상 주행이 가능하며 시스템, 부품소재의 국산화율 70% 이상 도달하였으며 시스템 기술 수준은 세계 4위이다. 6월에는 투싼ix FCV 15대를 덴마크 코펜하겐시에 기증했고, 2015년까지 1000대를 생산 판매한다는 계획 하에 미국시장 진출을 도모하고 있다. 올해부터 환경부에서 FCV 시범보급에 나서며 국내 보급을 확대할 예정이다.
발전용 연료전지의 선두주자는 포스코에너지이다. 미국 FCE와 기술제휴를 통하여 BOP 공장, 스택생산 공장을 준공 11월 셀 제조공장을 건설, 내년 말까지 기술이전과 공장건립을 완성 100% 국산화된 기술로 연료전지를 생산할 수 있게 된다. 금년 말에는 경기도 화성시 발안산업단지 내에 세계 최대 규모인 60㎿급 연료전지 발전단지가 완공된다. 기존에 설치된 50MW를 포함 연료전지 강국으로 도약하게 된다. 시스템 기술 수준은 세계 2~3위 수준이나 부품, 소재 기술의 높은 수입 의존도가 해결해야할 문제이다.
다. 국외 연료전지 기술 동향

가정용 연료전지 분야의 선진국가인 일본은 정부지원과 지속적인 연구개발로 2013년 기준 시스템 전기효율 39%(LHV), 종합효율 95%(LHV)까지 도달하였으며, 시스템 가격은 약 2백만엔 수준이다. 2030년 530만대 누적 보급을 목표로 2015년까지 대량생산 공정을 구축하여 시스템 가격을 50만~70만엔까지 저감하는 것을 목표로 장기적인 연구개발을 진행 중에 있다. 병행하여 2012년 상용 가정용 SOFC 제품을 출시하였다. 24시간 연속운전하에서 시스템 전기효율 45%(LHV), 종합효율 87-90%(LHV)까지 도달하여 보급을 확대하고 있다.
호주의 Ceramic Fuel Cell사는 2kW급 건물용 BlueGENTM SOFC 시스템을 개발하였다. 개발된 GennexTM 스택 모듈에서 60%(LHV)의 높은 발전효율을 확보 15,000시간 이상 실증운전을 달성하였으며 15개국에 52대 시스템을 판매하였다.
발전용 연료전지 분야에서는 미국의 FCE와 Bl-oom Energy 의 독주 체제이다. FCE 사는 CO2 포집을 위한 화력발전소 연계형과 가스터빈 연계형 등의 MCFC를 활용한 다양한 하이브리드 시스템을 통해 수요 확대에 주력하고 있으며, MCFC-PSA Hybrid로 PSA에 의한 CO2 포집과 H2 분리 가능성 연구를 수행 CO2 증가분을 35% 이내로 줄일 수 있다고 보고하고 있다. Bloom Energy 사는 100kW급, 200kW급 시스템을 판매하고 있으며, 수십 MW급 규모가 설치되어 성공리에 운전되고 있다. 시장진입이 급속히 이루어지고 있으며, 현재까지 약 60MW 구매 계약을 맺고 시스템을 양산하고 있으며, 효율은 50% 이상으로 연료전지 시스템으로 최대 전기발생효율을 보이고 있다.
일본 토요타 자동차는 2013년 11월 일본 동경 모터쇼에서 실제 시판용 연료전지 자동차 공개하였다. 판매 시점은 2015년 초이고 가격은 $50,000 수준으로 현재 판매중인 Tesla $70,000 모델 전기자동차를 경쟁 모델로 삼고 있다. 최근 연료전지 자동차들은 700기압 수소 탱크를 장착하여 한번 충전으로 500km 이상 주행이 가능하며 수소 충전시간은 3분 이내이다. 메이저 자동차 회사들 간의 연합이 진행 중이다. 도요타는 BMW와 혼다는 GM, 닛산, 다이믈러, 포드와 연합하여 상용차 양산에 전력투구하고 있다.

라. 결론

국산 연료전지 상용화의 가장 큰 장애물은 높은 가격이다. 국산 기술에 의한 연료전지의 보급 활성화 및 수출 산업화를 위하여 국가 정책지원, 기술개발 및 보급 활성화를 위한 체계적인 추진이 중요하다. 핵심부품 국산화 및 기반구축에 대한 R&D지원, 실증/보급 지원, 그린홈, 그린카, 공공건물 설치 의무화 제도 등의 정책 추진과 발전차액 지원, RPS, 신재생 융자 등의 세제 및 금융 지원이 병행되어야 한다.
건물용, 발전용 연료전지의 주 연료인 도시가스의 전용 요금제 신설이 필요하다. 도시가스 요금이 지속적인 인상에 따라 원가부담이 가중되어, 연료전지 가격 경쟁력 약화에 따른 보급 및 확산에 지장을 주고 있는 상황이다. 도시가스 요금제도의 연장선상으로, 연료전지의 궁극적인 연료인 수소에 대한 요금제도 설정이 필요하다. 버려지는 부생수소를 연료전지 연계를 통해 활용도를 높이는 등 고부가가치 및 다양화 이용에 대한 필요성이 대두되고 있다. 부생수소 이용 에너지기기 산업화 촉진을 위한 부생수소 표준화 가스 조성 및 가격 가이드라인을 확립해야 한다.
2015년 연료전지 자동차 양산 및 일반인 보급을 위한 수소인프라 확대가 필요하며, 관련 정책 및 녹색인증 관련 법제도 개선, 운행연장 법제도 개선이 시급히 추진되어야 한다. 그리고 부생수소 이외의 신재생수소를 이용한 제2, 3의 수소타운 건설과, 연료전지 자동차 운행이 가능한 수소 고속도로 구축, 공동주택 및 다세대 주택용 중앙 열병합 연료전지 시스템 도입 등 다양한 아이디어, 신기술, 정부 정책이 수소경제로의 진입을 촉진시킬 것이다.

3. 이차전지 소재 기술 현황 및 전망

가. 서론

지구 온난화로 인한 환경규제의 강화, 화석연료의 고갈 우려에 따른 에너지독립 및 신성장동력 발굴 등의 일환으로 각국은 신재생에너지와 친환경자동차 보급에 정책적인 지원을 아끼지 않고 있다. 신재생에너지는 그 특성상 균일한 품질의 전력생산이 어려우므로 전지의 저장이 전력 생산효율을 높이는 필수 요소이고, 화석연료에만 의존하던 ‘엔진’을 전기의존 ‘모터’로 대체하기 위해서는 고성능 이차전지의 개발이 필연적이다.
1990년 초 Sony 사에서 개발된 리튬이온전지는 기존의 니켈을 기반으로 하는 전지에 비해 실효량, 자가 방전 및 메모리 효과 등, 탁월한 장점을 가지고 있어 모바일 IT 전자기기의 전력저장을 위한 이차전지 시장을 지배하고 있다.
전기자동차, 지능형 로봇, 신재생에너지의 전력저장용 장치와 같은 친환경 에너지 산업 등으로 그 사용 영역이 확대되고 있다. 특히 전기자동차용 이차전지는 충전시간이 짧고 경량이면서도 성능이 우수하여야 하므로, 향후 리튬이차전지를 중심으로 기술개발 경쟁이 치열할 것으로 예상된다.
현재 리튬이차전지 산업은 전 세계적으로 제조업체의 주도권 확보를 위한 증설 경쟁이 치열하다. 국가별 이차전지 시장은 일본, 한국, 중국 등이 점유율이 높은 것으로 나타났으며, 현재는 한국이 일본을 앞선 것으로 나타났다. 국내 리튬이차전지 산업의 경우 LG 화학, 삼성 SDI 등의 대기업과 중소기업으로 구성되어 막대한 자금력과 대규모의 신규설비 투자를 하여 리튬이차전지 시장에서 성공을 거두고 있다.