에너지 소재의 연구개발 동향

미래형 에너지 신소재의 연구개발 현황 및 전망

이 시 우 공학박사 한국에너지기술연구원 에너지재료연구센터 선임연구원
유 지 행 공학박사 한국에너지기술연구원 에너지재료연구센터 선임연구원

1. 서론
미래형 에너지 신소재 기술은 화석에너지 고갈에 대비하고 에너지 자급의 실현을 위해, 화석연료를 사용하지 않는 고청정 에너지원 확보를 위한 소재 기술 및 화석연료의 효율적 사용을 위한 소재 기술로서, 수소에너지 변환·저장·이용 소재, 연료전지소재, 태양에너지변환소재, 전력저장소재, 열전변환 소재 기타 신재생에너지용 소재와 그 응용기술을 포함한다. 화석연료는 매장량이 한정되어 있고 그 사용에 따른 지구온난화 및 대기 오염의 우려가 심각하므로 궁극적으로 이를 대체하거나 적어도 화석연료의 사용량을 억제하고 환경에 미치는 악영향을 최소화하기 위해서는 획기적인 기술의 도약이 시급하며, 이는 미래형 에너지 신소재의 개발 여부에 달려있다 해도 과언이 아니다.
본 고에서는 미래형 에너지 소재와 관련된 산업 동향에 관해 간략히 살펴보고, 대표적 연구주제인 수소에너지 분야와 연료전지 분야의 소재 기술개발동향을 기술하도록 한다. 또한 에너지기술의 장래에 있어 나노 기술의 접목은 필수적인 요구조건인 바, 에너지분야의 나노기술 개발동향을 검토하도록 한다. 미래형 에너지기술로 분류되는 기술분야는 그 용어가 의미하는 바와 같이 현재 산업적인 동향을 논하기에는 충분히 성숙되지 않은 분야가 대부분이므로, 본 고에서는 주로 기술적 측면에서의 연구개발동향에 대해 기술한다.

2. 미래형 에너지기술의 산업동향
미래형 에너지기술의 주요 소재 및 응용기술인 수소에너지, 전기화학적 에너지저장, 열전변환 및 광이차전지의 국내외 산업동향에 관해 표 1에 정리하여 나타내었다. 새로운 에너지원에 대한 연구개발이 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있으며 고효율 에너지변환·저장장치의 수요가 지속적으로 증가될 것으로 전망되므로 2010년경에는 태양광변환 모듈이 최소 140GW, 수소에너지변환은 10GW의 규모와 50억달러 이상의 시장성을 갖게 될 것이며 전기화학 에너지저장장치인 초고용량 커패시터의 경우 2007년에 약 6억달러의 시장이 형성될 것으로 예상된다. 국내에서도 대체에너지 보급률을 2011년까지 5%로 확대하는 목표가 설정되어 있는 바, 광에너지변환 및 열전발전 분야에서 13,000 TOE의 시장 형성이 예상되며, 수소에너지변환의 경우 산업자원부에서는 2012년까지 분산전원(250~1000kW급) 300기, 건물용(10~50kW급) 2,000기, 가정용(3kW급) 10,000기, 승용차 및 버스 15,000기의 보급을 목표로 하며 580억원 규모의 자동차용 연료전지 시장을 예상하고 있다. 초고용량 커패시터의 경우에도 향후 하이브리드 자동차의 보급에 따른 300억원 규모의 급격한 시장 확대가 예측되는데, 특히 차세대성장동력의 일환으로서 신소재 개발 및 실용화를 위해 지속적인 투자 확대가 이루어질 것으로 예상된다.
광에너지변환 분야에서는 태양전지와 이차전지 기능을 동시에 갖는 새로운 에너지변환·저장장치인 광이차전지에 대한 연구가 선진국에서 진행 중이며 고용량 이차전지와 고효율 태양전지 분야에서는 유무기 하이브리드 소재의 개발이 기대되고 있는데, 소자의 대면적화와 효율향상 및 단가를 낮추어야 하는 과제가 남아있다. 열전변환분야의 신기술로는 smart windows와 관련된 열흡수 차단용 특수필름, 특수태양로를 이용한 개량형 탄화규소 분말제조기술과 세라믹 방사체가 지속적으로 연구 수행될 것으로 예측되며, 수소에너지변환분야에서는 고온용 소재로서 프로톤전도성이 우수한 BaCeO2, SrZrO3 등에 대한 기초 연구가 진행 중에 있다. 선진국에서는 21세기 에너지자원의 확보 측면에서 에너지관련 소재를 포함한 미래형 에너지기술 개발 및 에너지자원의 효율적 이용분야에 많은 예산과 인력을 투자하고 있는 바, 국내에서도 세계적으로 선도할 수 있는 기술분야를 선택하고 연구역량을 집중하는 전략이 요구되고 있다.

3. 수소에너지 소재의 기술개발동향
수소경제사회 구현을 위해서는 고순도의 수소를 경제적이고 효율적으로 제조하고 저장하여 이용하는 일련의 기술개발 및 관련 신소재에 대한 원천기술 개발이 요구된다. 국내에서도 21세기프론티어 ‘고효율 수소에너지 제조·저장·이용 기술개발’사업을 수행 중이며, 2004년부터 산자부의 ‘수소연료전지사업단’이 출범한 바 있다. 프론티어사업에서는 20Nm3/hr 규모의 천연가스를 이용한 수소제조 공급시스템의 실증 및 자연에너지를 활용한 5 Nm3/hr 급의 물분해 수소제조시스템의 실증을 목표로 설정하고 있어 2012년에는 국내에 3억불, 세계적으로 800억불 규모의 시장이 형성될 것으로 보고 있다. 이하에서는 수소에너지와 관련된 기술분야 및 소재 개발동향에 대해 살펴본다.
수소의 제조방법으로는 화석연료의 개질, 물의 전기분해, 물의 광화학분해, 생물학적 방법 및 열화학사이클의 이용 등이 고려되고 있다. 화석연료의 가채년수는 60~200년 정도로서, 이산화탄소의 배출이 없는 대체에너지의 개발이 시급한 실정이지만 현재의 기술수준과 경제적 측면에서 볼 때 해결해야 될 과제가 많기 때문에 우선적으로 화석연료를 이용한 수소의 생산이 고려되고 있다.
화석연료를 이용한 수소 제조의 소재적 측면에서는 크게 두가지 과제가 논의된다. 하나는 수소의 생산, 저장, 이용의 각 분야에서 기존의 한계를 극복하기 위해 성능이 대폭 향상된 촉매 및 산소흡장촉진제(oxygen storage promoter)를 개발하는 것이다. CeO2, ZrO2 또는 이들의 고용체가 사용되는데, 나노구조에서의 미세구조 제어 연구가 진행 중이다. 기타 저가의 촉매 신물질 개발, 저온에서 고순도 수소생산이 가능한 촉매의 개발이 요구된다. 두 번째 과제는 단계별로 요구되는 기체분리공정의 효율을 높이는 것으로서, 이를 위해서는 분리막의 선택적 투과성과 내구성을 향상시켜야 한다. 개질된 합성가스로부터 수소를 분리하기 위해 기존에는 압력이나 온도에 따른 흡착특성 변화와 귀금속 막소재를 이용하였으나, 향후에는 실리카, 제올라이트 등의 저온형 세공구조 무기막 또는 페롭스카이트 구조의 고온형 전도성 무기막을 적용하기 위한 연구가 진행 중이다. 그림 1은 산소전도성 산화물 분리막과 프로톤전도성 산화물 분리막을 이용하여 메탄으로부터 수소를 연속적으로 생산하는 공정의 모식도이다. 미국에서는 에너지성(DOE) 주관의 Vision 21 수소프로그램에서 수소분리막을 핵심기술로 선정하여 산·학·연 연계 연구가 진행 중에 있으며, 일본에서는 NEDO의 ‘혁신적 온난화 대책기술 프로그램’에서 고효율 고온수소분리막 개발과제를 추진 중에 있다.
태양에너지를 이용한 수소 생산기술은 무한하고 청정한 수소에너지 제조방법이라는 긍정적 측면이 있지만 현재로서는 효율이 낮은 문제점이 있는 바, 고효율 저비용의 획기적인 소재 및 기술 개발이 요구된다. 주요 과제로는 빛의 이용효율 개선, 전하 전달에서 에너지 손실과정의 이해, 무기-유기-고분자 혼성체의 합성기술개발, 분자-무기물 및 분자-용액의 계면현상에 대한 체계적인 이해 및 고성능의 가시광감응 촉매물질의 개발 등을 꼽을 수 있다.
열에너지를 이용한 수소제조와 관련하여, 700~950℃의 고온에서 사용이 가능하면서도 열전도 효율이 우수한 소재의 개발이 시급하다. 열화학사이클과 전기분해는 화석연료를 연소시켜 생산된 전기를 사용하고 고온의 열원을 필요로 한다는 단점이 있지만 열역학적 데이터의 축적, 촉매 개발에 의한 공정 개선 및 새로운 열화학사이클의 개발 등을 통해 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
고온 수전해기술은 650℃ 이상의 고온에서 작동하는 산화물 전해질(YSZ, LSGM 등) 또는 프로톤 전도성 산화물(Yb:BaCeO3)을 이용하여 연료전지의 역반응을 통해 수증기를 분해하면서 동시에 수소를 분리할 수 있는 기술로서, 기존의 저온 수전해에 필요한 전기의 70%만을 사용하면서도 전극에서의 부식문제가 없다는 특징을 갖는다. 미국의 아이다호국립연구소(INEEL)에서 선도적으로 연구를 진행중에 있으며, 국내의 수소프론티어사업에서도 연구가 진행중에 있다.
그림 2는 고온 수증기 전기분해 장치의 개념도이다. 수증기 분해에 이용되는 열을 원자력으로부터 얻기 위한 연구과제가 국내에서 2004년부터 진행 중에 있으며, 2020년까지 연간 약 3만톤의 수소를 생산할 수 있는 초고온가스로(VHTR) 설비를 상용화할 계획에 있다.
제조된 수소의 저장을 위해서 안정적이고 효율적인 저장소재의 개발이 요구된다. 큰 비표면적을 갖는 나노기공 흡착소재는 수소와의 결합이 충분히 강하면서도 동시에 쉽게 탈탁될 수 있도록 적당한 결합강도를 가져야 하는데, 탄소 나노섬유, 나노튜브 또는 플러렌 등의 적용이 기대된다. 그 외에도 제올라이트, alanate, 경량 금속수소화물, 나노결정성 마그네슘 합금 등이 연구되고 있다. 수소의 대표적인 이용분야는 연료전지로서, 소재적 측면에서 성능 개선의 여지가 매우 크며 이에 대해서는 후술하도록 한다. 기타 수소의 이용과 관련된 소재기술로서 산화물계 고온 수소센서와 수소광센서에 대한 연구가 진행 중에 있다.

4. 연료전지 소재의 기술개발동향
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질을 이용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 및 직접메탄올 연료전지(DMFC), 알칼리용액을 이용하는 인산형 연료전지(PAFC), 용융염을 이용하는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물을 이용하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등이 있다. 고분자 전해질을 이용하는 PEMFC나 DMFC의 경우 비교적 저온에서 작동하기 때문에 휴대용전원이나 자동차용 동력원으로 개발되어 일부 상용화된 반면에, 고온에서 높은 효율을 보이며 열교환에 의해 난방수를 이용할 수 있는 MCFC나 SOFC의 경우 kW-MW 급 규모의 정지형/발전소용 연료전지로서 개발되고 있다. 본 고에서는 특히 세라믹 소재를 기반으로 한 SOFC용 소재를 중심으로 현재까지 개발된 소재의 기술동향과 SOFC 상용화를 위해 극복해야할 문제점을 정리하고자 한다.
대부분의 연료전지 시스템은 연료(수소, 천연가스, 디젤 등) 공급장치, 연료개질장치(천연가스나 디젤유를 개질하여 수소를 공급), 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 전지스택, 열교환기 등으로 이루어져 있다. 스택은 연료극-전해질-공기극으로 이루어진 단전지와 이들을 적층(stack)하여 직렬 및 병렬로 연결하기 위한 분리판, 연료와 공기를 차단하기 위한 밀봉재로 이루어져 있다. 연료전지 중 작동온도가 가장 높은(650~1000℃) SOFC에 있어서 연결재를 제외한 모든 소재는 세라믹이다. 표 2는 SOFC 스택 구성요소별 소재와 요구되는 물성을 정리한 것이다.
SOFC의 상용화를 위한 과제는 새로운 소재를 개발하여 스택의 생산비용을 낮추는 데 있다. 고온에서 작동하는 SOFC는 특히 고가의 분리판을 이용해야 하므로, 작동온도를 800℃ 이하로 낮추어 비교적 저가의 SUS 소재를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 위해서는 저온에서 높은 이온전도도를 갖는 전해질 개발이 필수적이며, 기존의 zirconia계 전해질을 대체할 새로운 전해질 소재로서 LaGaO3계나 CeO2가 후보 소재로서 연구되어왔다. 특히 LaGaO3 소재는 일본 Mitsubishi 중공업에서 SOFC용 전해질로 이용되는 등 많은 주목을 끌어왔다.
단전지의 저항을 줄여 전력밀도를 높이기 위해서는 전해질의 두께를 최소화할 필요가 있으며, 이를 위해 연료극이나 공기극 지지체 위에 박막이나 후막형태의 전해질을 대면적으로 입히기 위한 공정기술이 요구된다. 현재까지 평판형 단전지로서는 독일 Julich 연구소에서 두께 1mm에 면적이 20×20cm2 인 단전지 제조기술이 세계적으로 가장 우수하다고 평가된다.
연료극지지형 단전지에 있어서 가장 많이 이용되는 연료극은 Ni-YSZ 복합체인데, 이는 YSZ의 기계적, 화학적 안정성이 우수하기 때문이다. 그러나 최근에는 연료극의 저항을 줄이고 낮은 온도에서 사용할 수 있도록 금속지지체 위에 연료극/전해질/공기극을 차례로 적층하여 단전지를 제조하기 위한 기술이 개발되고 있다. 그러나 금속의 안정성이 유지되는 온도범위에서 치밀한 전해질을 얻기 위한 저온공정기술이 요구된다.
현재까지 SOFC를 이용한 발전설비 중 Siemens-Westinghouse가 개발한 200kW급이 가장 규모가 크며 공기극 지지체에 의한 원통형 단전지를 이용하고 있다. 반면에 최대의 단전지 출력특성은 Julich 연구소의 평판형 단전지로서 단전지당 13kW의 성능을 보여주었다. 평판형 단전지는 단전지 간의 집전효율이 우수하고 스택을 비교적 작게 만들 수 있어 kW급의 가정용이나 보조전원용으로 사용할 때 많은 장점이 있으나, 고온 밀봉재를 사용해야 하므로 장기안정성이 부족하여 고온의 발전시스템에는 적합하지 않다. 한편 마이크로 SOFC의 경우는 소형 발전을 위해 직경이 수 mm정도로 작은 원통형 단전지를 이용하기도 한다. 또한 마이크로 공정에 의해 휴대전원용 SOFC가 개발되고 있다.
SOFC 기술은 작동온도와 연료의 종류에 따라 단전지 소재를 비롯하여 스택요소부품의 소재를 개발함으로써 진보를 기대할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 각 핵심소재의 물성 뿐만 아니라 구성재료들 사이의 역학관계를 이해해야 하며, 대면적의 단전지를 제조하고 신뢰성을 확보하기 위한 공정기술개발이 필수적이다.

5. 에너지분야 나노소재의 기술개발동향
미래지향적인 에너지원의 개발을 위해서는 기존의 에너지 전환기술을 개선하는 것으로는 부족하며 획기적인 기술의 진보가 요구되는 바 ‘나노소재 기술’의 중요성이 부각되고 있다. 에너지 소재 분야에서 나노 기술은 효율적인 에너지의 생산에서부터 에너지 소비 절감효과에 이르기까지 널리 영향을 미치게 되므로 차세대 에너지원 개발에 필수적인 연구 분야로 인식되고 있어, 선진국에서는 천문학적인 비용을 투자하여 집중적인 연구개발을 수행하고 있다.
가. 에너지 변환분야
태양광 분야에서는 TiO2 등의 나노입자나 나노 크기의 기공을 갖는 실리콘을 이용하면 표면적을 약 1000배 정도 향상되어 효율을 크게 증가시킬 수 있으므로 현재의 낮은 효율을 극복할 수 있는 대안으로 기대되고 있다. 특히 저가의 염료를 이용하는 연료감응 태양전지에서는 나노구조의 이용이 절대적으로 요구되며, 현재 이용되는 고가의 전해질을 FeS, CuS, CuInS 등으로 대체하려는 연구가 진행중이다.
열전소자는 냉방, 온방 및 정밀한 온도조절 등을 가능케 하는 소자로써 자동차에서 발생하는 폐열을 전기로 바꾸는 데에 이용될 수 있다. 열전재료를 나노 크기로 조절하여 마이크로프로세서 칩의 표면에 도포시키면 발생되는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 열전 재료로서는 p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 구조가 사용되는데, 최근에는 나노크기의 초격자 구조로서 5nm 두께의 적층구조를 갖는 BiTe와 SbTe가 기존의 재료에 비해 2배 이상의 효율을 나타낸다는 연구결과가 보고되기도 한다.
열원에서 방출되는 전자기파를 전기로 변환하는 Thermophotovoltaic(TPV) 발전 시스템은 열병합발전이나 산업체 열회수 시스템 또는 고집광 태양열발전 시스템의 방사열을 활용할 수 있으므로 분산형 전원시스템에 적용될 수 있는데, 흑체복사현상을 방지하도록 나노구조화가 필요한 에미터(emitter)의 개발이 핵심 과제 중의 하나이며, 화학기상증착법 등을 이용한 나노구조 박막제조 연구가 진행 중에 있다.
나. 에너지 저장분야
이차전지 분야에서는 기존의 전극재료를 대체할 수 있는 새로운 재료의 개발에 많은 선도적 연구기관이 심혈을 기울이고 있다. 나노결정질 또는 나노튜브 등의 재료가 에너지 밀도, 수명 및 충방전율을 크게 증가시킨다는 연구결과가 일찍이 보고된 바 있다. 나노튜브는 기존의 흑연 전극재료에 비해 많은 양의 리튬이온을 함유할 수 있고 리튬 이온의 확산경로를 감소시킬 수 있다. 산화물 나노입자를 전극재료로 이용하는 경우에도 높은 전기화학적 반응성을 나타내어 700mAh/g의 높은 용량을 갖는다는 보고가 있다. 3차원 망목구조를 갖는 10nm 크기의 에어로겔 또한 전극재료, 전지구조재료 또는 촉매 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 차세대 연료로 사용될 수소의 저장을 위해서는, 전술한 바와 같이 나노기공 소재의 개발이 절대적으로 요구된다.
수퍼커패시터는 2개의 반대 극성을 갖는 하전된 계면을 가져 에너지를 저장하게 되는데, 에너지 밀도는 상대적으로 낮은 반면에 충방전 반응이 전극내부로의 이온전도에 의해 제한받지 않기 때문에 매우 높은 전류에서 사용될 수 있으며 높은 비전력을 제공한다. 특히 기공의 크기와 분포를 제어함으로써 비표면적을 향상시키고 저항을 낮출 것이 요구된다. ultracapacitor 소재로서 RuO2가 연구되고 있는데, 안정성과 효율이 높은 반면에 단가가 높은 것이 상용화에 걸림돌이 되고 있어 나노기술의 접목을 통해 에너지 밀도와 전력밀도를 향상시키는 연구가 수행중이다.
다. 에너지 절약분야
초단열 소재로서 실리카 등의 에어로겔이 기대되고 있다. 매우 낮은 열전도도와 밀도, 높은 기공률 등의 매력적인 특성을 가지고 있으나 저가의 원료물질을 이용하여 낮은 단가로 제조하는 기술의 개발과 나노기술의 접목이 필요한 시점이다. 그 외에도 AgCl이나 유기 염료분자 등으로 electrochromic 유리의 박막제조에 나노 기술이 이용되고 있다. LED는 기존의 방식에 비해 에너지 소비를 절반 이상 감소시킬 수 있으므로 조명재료로서 각광받고 있는데, 미국에서는 나노포켓 개념을 도입하여 100~150nm 크기의 포켓을 10nm 간격으로 배열하여 효율을 향상시키는 연구를 진행 중이다.
한편, 나노기술을 이용하여 연소장치에 열적 저항성이 큰 세라믹스를 박막형태로 형성시키고, 나노 기공성 촉매나 나노입자를 이용하여 에너지 절약 및 유해 배기가스 양을 줄이는 연구가 진행되고 있다. 나노 크기 기공을 갖는 제올라이트는 효과적인 촉매 지지체로서 연간 300백억원 규모의 시장을 형성하고 있다. 가벼우면서도 강도가 우수한 재료를 수송장치에 사용하면 연료소비량을 크게 감소시킬 수 있다. 예로서, 나노입자가 보강된 플라스틱은 가벼우면서도 강하므로 자동차의 차체로 사용될 경우에 연간 150억 갤런의 연료를 절약할 수 있다.

6. 결 론
‘에너지’와 ‘나노’는 미래의 인류의 삶과 지구의 환경을 결정하는 기술분야에 있어 핵심 키워드가 되고 있다. 특히 에너지 의존율이 극히 높은 현재의 국내 현실에서는 소재 신기술개발을 통한 에너지기술 선도와 에너지수급의 자립화가 절대적으로 필요한 실정이다. 이를 위해 산업체, 학계와 연구기관이 긴밀히 협력하여 에너지 신소재 기술을 주도할 수 있도록 집중적인 노력을 경주하여야 할 것이다.

표 1. 미래형 에너지기술 분야의 산업동향
   

그림 1. 메탄으로부터 수소를 제조하는 고온 세라믹 분리막 시스템

그림 2. 고온가스로와 연계시킨 고온수증기 전기분해 시스템의 개념도

표 2. 고체산화물 연료전지 스택용 핵심소재 및 물성

      구성요소           소재                    물성
                                   Zirconia:Y 혹은 Sc 안정화        높은 이온전도도 (0.01S/cm 이상)
               전해질           Perovskite:(LaSr)(GaMg)O3     환원 및 산화 분위기에서의 안정성
                                   Ceria:Gd 첨가 CeO2                (화학적 안정성, 순수한 이온전도성)
  

                                   Ni-YSZ 복합체                        높은 전자전도도
 단전지    음극(연료극)   Cu-YSZ 복합체                       전해질 계면에서의 촉매반응성
                                                                               다양한 연료(천연가스 등)의 이용가능성

                                   (LaSr)MnO3                           높은 이온/전자 전도도(혼합전도성)
              양극(공기극)   (LaSr)(CoFe)O3                      전해질과의 열적 안정성(비슷한 열팽창계수)
                                                                               전해질과의 반응성이 적을 것
 

                                   (LaSr)CrO3,                           높은 전기전도도( 1S/cm 이상)
       분리판                   Ducralloy                               산화/환원 안정성(장시간)
                                   SUS/(LaSr)CrO3 코팅              전극과의 반응성이 적을 것
                                                                               단전지와의 열적 안정성(열팽창계수)

                                   유리 및 결정화 유리                 고온에서의 장기 안정성
       밀봉재                   마이카 결정                            분리판 및 단전지 소재와의 열적,

                                                                               화학적 안정성 
                                   금속박판 (가스켓)                   (열팽창계수, 화학적 반응성)

필자약력 (유지행)
·연세대학교 세라믹공학과 학사
·포항공과대학교 재료금속공학과 석사
·포항공과대학교 재료금속공학과 박사
·독일 Max-Planck 연구소 객원연구원
·한국에너지기술연구원 선임연구원