에너지 소재의 연구개발 동향

고효율화 에너지 신소재의 연구개발 현황 및 전망

한 인 섭 공학박사 한국에너지기술연구원 에너지재료연구센터 센터장

1. 서론
고효율 에너지 소재는 에너지 기술의 한계를 극복하고, 에너지 산업의 고도화 실현을 주도하며, 환경오염의 주 원인인 화석연료의 사용을 억제하기 위한 고효율, 고성능 에너지 절약, 에너지 수송, 에너지 저장 기기 및 대체에너지 기기에 사용되는 섬유(또는 입자) 강화에 의한 고온 복합 및 기능성 구조재료, 나노 열차폐 코팅 소재, 바이오 경량 소재와 나노 형광체 소재 개발기술로 분류할 수 있다.
섬유(또는 입자) 강화 복합 구조재료나 기능성 구조재료의 경우, 기술개발의 확립에 따라 세라믹 디젤 엔진부품, 열교환기 및 가스 터빈용 부품에 사용이 가능한 소재로서 이들 소재는 2000년 이후 재부각 되기 시작하였으며, 비록 투자규모가 크고, 현재에는 경제적 타당성이 낮더라도 기간산업의 소재 기술개발 뿐만 아니라 자동차, 우주·항공분야의 경량화 및 고성능화로 열효율 향상을 통한 에너지절감 등의 파급효과가 지대할 것으로 예상되기 때문에 이들 소재의 개발이 매우 중요하다.
열차폐 코팅 소재는 발전용 가스터빈 설비, 각종 플랜트, 자동차, 항공, 선박사업 등에 적용되고 있으며, 열차폐의 기능이 내마모, 내부식, 절연 특성 등의 기능과 복합된 하이브리드 기술로 개발될 경우에는 선박 부식 방지제, 의료 산업, 제철제강 산업, 전기전력 산업, 식품 및 제약 산업에 이르기까지 광범위한 산업에 적용할 수 있는 기술이기 때문에 그 응용분야가 매우 광범위한 소재 기술이다. 그러나 이 기술은 해외의존도가 높은 첨단소재 산업이므로 최근 국내에서도 관련분야의 연구가 확장되고 있는 추세이며, 또한 일부 산·학·연 연구자에 의해 근본적인 기초기술이 연구되고 있으므로 중장기적인 연구를 통한 선진국과의 경쟁력 확보가 매우 중요한 기술이다.
바이오 경량 소재는 천연섬유를 보강재로 사용한 에너지절약형, 환경친화형 고분자 복합재료로서 현재 자동차 및 건축물의 내장재로 사용되고 있는 유리섬유 보강 고분자복합재료를 대체할 수 있는 신소재 기술이다. 이 기술은 BT(Bio Technology)와 ET 기술이 동시에 요구되는 첨단 신소재 기술로서 유리섬유 보강 고분자 복합재료에 비해 경량성 등에 의해 획기적인 에너지 절약이 가능하며 폐기소각 시, 유해가스 및 CO2 발생량도 크게 저감시킬 수 있는 새로운 기술이다. 이에 따라 자동차 경량화, 친환경성 폐기물 등 에너지 절약과 환경친화성 에너지 소재의 개발 필요성이 급속히 대두함에 따라 미국, 유럽에서 1990년대 후반부터 연구개발이 시작된 이래 2002년 현재 자동차 산업과 건축 산업에 실용화가 이루어지고 있어 기술적 중요도가 점차 증가되는 추세이다.
한편 나노 형광체 소재는 기존의 디스플레이 및 조명용 형광물질들의 적용한계성으로 인한 신물질의 탐색 및 양자점 조정에 의한 신기술 개발이 필요하게 됨에 따라 대두된 소재로서 IT(Information Tech
nology)산업, 전자 산업(CRT, PDP, EL, LED, LCD, VFD, 형광등 기타)에 특히 많이 이용되며, 표시장치, 광고, 조명 분야의 활용이 증대됨에 따라 신제품(HDTV, IMT2000 등)으로의 적용을 통한 에너지절약가 크게 기대되는 소재이다.

2. 고효율화 에너지 소재의 동향
가. 고효율화 에너지 소재 산업동향
고효율화 에너지 소재의 장기적인 세계시장 전망은 2010년도의 에너지 소비량은 1971년도의 에너지 소비량의 약 2배를 사용하게 되는 등 전 세계적으로 에너지의 소비패턴은 다양화 되고 고갈 현상은 심화될 예정으로 이를 극복할 수 있는 에너지 기기의 개발 및 성능향상에 더 많은 연구투자가 계획대로 진행되고 있어 고효율화 에너지 소재의 기술개발에 따른 시장 활성화는 더욱 가속화 될 것으로 예상된다.
국내의 경우에는 고온 복합 및 기능성 구조소재의 개발이 진행됨에 따라 세라믹 디젤 엔진부품, 열교환기 및 가스터빈용 부품에 사용이 가능하며, 자동차의 경량화 및 고성능화로 열효율 향상 및 각종 핵심 부품의 고성능화, 고효율화에 의한 에너지절감 등의 파급효과가 지대할 것으로 예상된다. 열차폐 소재는 발전설비, 각종 플랜트, 자동차, 항공, 선박사업 등에 적용되고 있고, 국내에서도 점진적인 시장확대가 예상됨에 따라 2005년까지 대규모 발전설비 및 각종 플랜트의 요소부품 등에 본격 보급되고, 2010년경에는 성숙된 시장이 형성될 것으로 예상된다. 표 1에는 고효율화 에너지 소재의 대표적인 국내·외 산업동향을 요약하여 나타내었다.
한편 바이오 경량소재는 기존 유리섬유 강화 고분자 복합재료를 대체할 수 있는 천연섬유 강화 고분자 복합재료로서, 현재 응용분야가 건축 산업에 75%, 자동차 산업에 8%를 점유하고 있는 친환경성과 에너지 절약 특성을 겸비하고 있는 첨단신소재이기 때문에 차세대 자동차 및 건축 산업의 경량재료로 사용될 경우 에너지 절감효과가 크므로 이들 산업의 확대와 함께 시장이 급격하게 증가될 것이 확실시 된다. 이외에도 나노 형광체 소재의 경우에도 국내에서 2010년까지 조명기기의 10% 정도를 백색 LED를 이용한 조명기기로 대체하게 될 경우, 연간 약 3천억원 이상의 시장이 형성될 것으로 추산되기 때문에 시장의 성장 잠재력은 매우 증가될 것으로 예상된다.
표 2와 표 3에는 각각 고효율화 에너지소재의 각 분야별 예상되는 대상시장 및 응용분야와 국내·외 시장규모를 나타내었다.
나. 고효율화 에너지소재 기술개발 동향
선진국의 기술발전 추세는 화석에너지 고갈과 환경규제의 강화라는 측면에서 에너지 절약형 소재의 개발이 단순히 에너지를 절약하는 소재의 개발에서 벗어나 환경부하가 적은 소재를 이용하여 에너지절감 효과를 이룩하고 절감된 에너지를 다시 활용하는 공정에 대한 연구가 시도되고 있다.
표 1에서 나타낸 바와 같이 미국과 유럽의 경우에는 Vision 21 Program, CFCC Program, ATS Pro
gram, IMF Program, BES Program 등과 같은 다양한 에너지재료 개발을 위한 정부주도의 대형화 사업을 수행 중이거나 완료된 상태이며, 일본의 경우에도 1994년부터 AIST, METI 지원 하에 국공립연구소 및 대학을 중심으로 New Subshine Program, 고효율 다기능 에너지재료 프로그램, 즉 Synergy Cera
mics Program의 개발연구 수행하여 현재 2단계 연구(1999~2003)를 종료하고 일부의 기술을 적용하고 있는 상태이다. 현재에는 고효율화 에너지소재의 개발을 위하여 Vision 21 Program(미국), 신세기 내열재료 프로젝트(일본), ECOFINA Project(미국), 미래 조명기술혁신사업(미국), ‘The Light for 21st Century´ Project(일본) 등의 사업이 진행되거나 추진 중에 있다.
이와 같이 선진국의 에너지관련 소재산업 지원정책은 연구주체 간 연계촉진을 위한 기구설치, 국가 주도 대형과제 운영, 개발자금 지원, 세제 지원, 연구인력 확보 및 기술정보 교류, 시설·기자재 공동이용 지원, 연구 성과의 이용확산 등을 주요 내용으로 하고 있으며, 정부차원에서의 신소재 산업 지원은 주로 우주항공 분야, 에너지 분야에 집중되어 있으며, 정보·전자산업용은 민간기업 주도로 이루어지고 있다.
한편 국내의 기술개발 동향은 고온 섬유강화 복합소재의 경우, 현재 정부 및 민간 산업 부문에서 고효율 에너지 기기의 개발 및 성능 향상을 위한 연구개발 투자가 거의 진행되고 있지 않아 연구개발이 침체되어 있으나, 산자부 중대형사업의 일환으로 탄소섬유-탄화규소 복합재료 개발에 대한 실용화 연구가 진행되고 있으며, 정부출연연구소와 대학을 중심으로 기반기술은 충분히 확보되어 있기 때문에 개발잠재력은 충분하다고 판단된다. 또한 기능성 구조소재의 경우에도 신뢰성 향상을 위한 인성증진, 내손상저항성 설계기법 확립 및 결함 최소화 기술과 생산비용의 절감을 위한 기술개발을 통하여 극한환경용 구조재료의 복합기능화 기술이 확립될 경우, 충분한 기술적 발전이 이루어질 것으로 예측된다. 나노 열차폐 소재는 외국 의존도가 높은 첨단 소재 산업인 점은 있으나, 국내에서도 관련 분야의 연구가 확장되고 있는 추세이고, 현재 일부 대학과 출연연구소 및 기업에서 열차폐 코팅에 대한 연구가 진행되고 있어 연구의 초기단계에서 성장단계로 진입하는 과정이라 할 수 있다. 현재는 한국에너지기술연구원에서 산자부 핵심기술개발사업으로 자동차 부품용 치밀질 세라믹 EB-PVD 코팅 기술과 나노 구조를 갖는 연료전지 전해질 및 전극용 EB-PVD 코팅 기술을 개발을 진행 중에 있다.
바이오 경량소재는 현재 한국에너지기술연구원, 서울대, 금오공대 등의 출연연구원과 학계에서 천연섬유를 이용한 바이오 보강재 개발, 고분자/매트릭스 계면특성 및 바이오 경량소재의 prototype 제조 및 특성분석 등 기초연구가 수행되고 있는 연구 초기단계이다. 최근에는 현대자동차 등의 최종 적용업체 등에서 이들 분야에 대한 연구개발을 위한 검토가 진행되고 있어 본격적인 개발이 진행되면 실용성이 매우 높은 분야이기 때문에 산업체의 유도를 이끌 수 있도록 정부차원의 적극적인 지원이 필요한 분야라 할 수 있다. 현재 이 소재는 NTRM의 에너지절약 소재의 바이오 경량재료, 차세대 성장동력사업 중 과기부 지원의 친환경 에너지 소재, 산자부 지원의 Eco 부품소재 기술에 포함되어 연구개발의 중요성과 필요성이 인식되어 있으며, 과기부/산자부의 지원 하에 바이오 경량재료 개발과 관련된 기초연구가 진행되고 있다.
한편 일반적인 형광체에 대한 연구는 국내의 대학(경북대, 광주과기원, 고려대, 서울대, 연세대, KAIST, 한양대 등), 출연연구소(한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원, 한국전자통신연구원 등)와 기업(삼성, LG, AP&Tec, Eastwell 등) 들에서 연구개발이나 생산이 진행되고 있다. 그러나 나노 형광체 소재의 경우에는 백색 LED용 RGB 형광체에 대한 연구가 현재 기초연구 단계이지만, nano-phosphor에 대한 연구로 파장변환효율 40%를 목표로 한국에너지기술연구원에서 추진 중에 있으며, 이 분야는 NT 산업의 발전에 기인하여, nano crysta
llite, nano structure, nano particle에 대한 연구가 추진되면서 이에 대한 연구가 더욱 활발해질 것으로 예상된다.
현재까지 국내에서 개발이 진행되고 있는 고효율화 에너지 소재의 기술수준과 핵심기술별 국내역량을 선진국과 비교하여 보면 각각 표 4와 표 5와 같다.
그림 1은 선진국과 국내에서 개발된 고효율화 에너지 소재 및 부품의 일례를 나타낸 것으로서 (a)는 자동차 브레이크 디스크 및 패드용 탄소섬유-탄화규소 복합재료(DLR, 독일)와 가스 터빈 컴버스터 라이너용 탄화규소 기지상 연속상 섬유 복합재료(ORNL, 미국)이며, (b)는 EB-PVD 공정에 의한 나노 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)-coated 가스 터빈 블레이드(GE, 미국)와 나노 기공과 갭(gap)을 갖는 YSZ 코팅층 미세구조(JFCC, 일본)의 사진이다. (c)는 첨연섬유와 고분자 복합재료를 이용한 자동차 내외장재 부품(Daimler Chrysler, 독일)과 천연섬유와 매트릭스와의 계면접착된 미세구조 사진이다. (d)는 국내에서 개발된 분무열분해법에 의한 나노 형광체 분말의 사진과 양자점(quantum dot) 나노 형광체의 발광 특성 사진(서울대, 국내)이다.

3. 기술개발 전략 및 대안 분석
섬유(또는 입자) 강화에 의한 고온 복합 및 기능성 구조 소재 제조기술은 섬유상 또는 분말상 원재료의 대량 합성기술 부재에 따른 수급 불안과 또한 국내 IT나 전자 산업용 세라믹스 시장의 활성화로 인한 구조재료 세라믹스 산업의 장기적인 침체에 따른 전문 연구인력 부족 등의 요소들이 국제경쟁력 있는 선진기술의 확보와 상용화에 근본적인 저해요인이 되어 왔다. 그러나 국내에서도 고온 내열, 내식성 에너지 소재의 개발을 위한 원천 및 기반기술이 확보되어 있기 때문에 정부 출연연구소에서 확보하고 있는 대형 시작품 형상화, 열처리 및 시제품 소성 기술, 현장 성능평가 기술과 대학교를 중심으로 보유하고 있는 기초기술을 국내 파인세라믹스 또는 내화물 제조업체와 접목시켜 연구인력의 결집과 연구결과 및 장비의 공유를 유기적으로 진행한다면 선진국과 경쟁할 수 있는 기술이 반드시 확립될 것이라 판단된다.
나노 열차폐 소재 기술은 아직까지는 해외의존도가 높은 첨단소재 산업이지만 최근에 접어들어 국내에서도 관련분야의 연구가 확장되고 있는 추세이고, 또한 일부 산·학·연 연구체계를 통해 근본적인 첨단 기초기술이 연구되고 있으므로 중장기적인 연구가 진행이 된다면, 선진국과의 경쟁력 확보가 가능할 것으로 생각된다. 현재 이 분야의 취약기술은 내부식성, 내마모성 열차단 코팅, 열차단 코팅 기술별 최적화 시스템 구축과 박막/후막의 특성 평가방법 및 시뮬레이션 분야 등이다. 또한 경사기능성 또는 나노기공 제어형 열차단 코팅과 같은 응용분야 기술은 기존의 장비와 인력을 보강을 통한 집중적인 투자가 반드시 뒷받침 되어야 다른 기술에 비해 비교적 짧은 시간에 향상된 성능과 기술의 확보 등으로 선진국과 격차를 줄이는 가시적인 성과를 거둘 수 있을 것이다.
한편 바이오 경량 소재는 현재 북미에서는 고분자 복합재료의 보강재로 유리섬유의 사용량을 모두 천연섬유로 대체하려는 계획을 세우고 있을 정도로 활용 가능성이 점점 확대되어 가고 있는 신소재로서 폐자원활용에 의한 환경보호 및 천연소재의 효율적 활용에 의한 고부가가치화가 가능한 소재라 할 수 있다. 이에 따라 이들 소재는 현재 미국이나 유럽 특히 독일 정도의 국가에서 실용화적 응용단계에 있는 첨단분야 기술이기 때문에 기술도입에는 어려움이 있으나, 기계적 특성 등 보강재로서의 물리적 특성을 충분히 가질 수 있는 천연소재의 선정과 경제적 표면처리 기술, 환경친화성 고분자 소재 개발기술, 천연소재와 고분자 매트릭스 사이의 접착력 향상기술 개발을 통한 경제적 제조기술 개발이 이루어지면 세계시장에서 선도적인 위치를 점유할 수 있을 것이라 판단된다. 더욱이 현재 세계적으로 활발하게 추진되고 있는 수소연료 전지 자동차 상용화를 위해 자동차 경량화는 필수적이기 때문에 기존의 차량용 복합재료와 동일한 기계적 특성 이외에 우수한 경량성을 가진 바이오 경량 복합소재의 개발은 더욱 가속화 될 것으로 예상된다.
나노 형광체 소재는 현재 형광체의 제조방법, 재료 및 이용분야에 따라 여러 형태의 형광체가 있으나, 대부분 형광체 소재의 열화에 따른 제품수명 단축 보강, 보다 높은 에너지 효율, 소재의 열적, 전기적 안정성, 저전압, 저주파수에 의한 구동성, 고위도의 RGB 삼원색 및 백색 구현 등이 해결되어야 한다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서는 소재의 나노화를 위한 합성 공정, 입도제어 공정, 부활제 첨가방법 등이 반드시 해결된 나노 소재 (나노 결정, 나노 구조, 나노 입자)의 연구개발과 소자 또는 부품으로 적용시키기 위한 가공/이용 방법, 제조공정 개발을 통한 재현성 확보, 대면적화, 적용환경(야회용, 습기 및 자외선)별 대응성 확보 등이 가격 저렴화와 함께 진행되어야 할 것이다. 따라서 이러한 문제점의 해결이 현재 형광체의 다양한 적용분야에 비해 성능이 미흡함에 따른 대량생산, 광범위한 이용보급에 저해요인이 되고 있는 문제를 해결하게 될 것이다.

4. 결론
에너지의 97% 이상을 수입에 의존하고 있고, 더욱이 기술개발 능력이나 성과면에서 선진국과 많은 차이가 있으며, 현재까지는 인력이나 연구개발 체계 등 핵심 인프라도 부족한 상황에서 에너지 다소비 산업 분야에서 고효율화를 통한 철저한 에너지절감 방안의 대안수립만이 에너지와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 방안이라 할 수 있다.
고효율화 에너지 소재를 비롯한 에너지 소재 기술 분야 전체의 국가경쟁력 확보를 위해서는 핵심 원천소재 기술 분야에서의 선진국과의 기술격차 해소가 가장 중요하며, 이를 위해서는 정부 주도로 국내의 연구역량을 총 결집한 장기적이고 집중적인 연구개발 프로그램이 필요하다. 따라서 정부 및 민간 산업 부문에서 에너지 위기를 극복할 수 있는 에너지 절약 기술의 개발이나, 고효율 에너지 기기나 시스템의 개발 또는 성능향상에 더 많은 연구투자를 계획하고, 국내외 제도 및 정책은 단기간의 경제적 이익보다는 에너지 효율 측면에서 산업설비의 재검토가 이루어져야 하는 방향으로 제도 및 정책이 지속적으로 변화되면 에너지 다소비 업종에서 요구되는 에너지 절약형 고효율화 에너지 소재의 기술개발 및 실용화는 더욱 가속화될 것으로 예상된다.

필자약력
·명지대학교 무기재료공학과 학사
·명지대학교 무기재료공학과 석사
·명지대학교 무기재료공학과 박사
·한국에너지기술연구원 센터장