최근 IEA 보고서는 추가적인 에너지, 환경 정책 추진 없이 현재와 같은 에너지 소비 패턴으로 지속된다면 장기적으로 지구 온도가 섭씨 6도가 상승하여 심각한 환경 파괴 문제가 초래될 수 있다고 경고하고 있다.
세계 에너지 수요 증가의 대부분을 차지하는 개발 도상국의 경우 비용이 비싼 신재생 에너지 보다 쉽게 쓸 수 있는 화석 연료 기반의 에너지에 주로 의존할 것으로 예상되기 때문에 보다 효율적인 에너지 사용의 중요성은 특히 선진국을 중심으로 점점 더 커질 것이다.
에너지 생산, 변환, 소비, 재생 과정에서 에너지 효율을 개선하려는 치열한 노력들이 계속되고 있고 그 중심에 소재와 부품이 있다. 부품 및 소재의 역할은 점점 더 커질 것이다.
신재생 에너지 발전 부문에서는 대형 풍력 발전기 블레이드를 가능케 하는 탄소섬유복합소재와 태양전지의 고순도 폴리실리콘 개발 경쟁이 치열하며, 연료 전지용 고분자 전해질막이 유망하다. 화력발전에서는 발전효율을 높이기 위해 고압, 고온에서도 견딜수 있는 초초임계 발전용 소재인 초내열 합금강의 개발이 한창이다.
수송용 분야는 항공기와 자동차 경량화를 위한 유무기 복합소재, 전기 자동차에 사용되는 2차 전지용 탄소 소재 및 실리콘계 합금 소재의 개발 경쟁이 치열하다. 한편 가정/상업/산업용의 경우 SiC 반도체 소재, 유무기 발광소재, 차열도료/단열도료 등이, 폐기 에너지 회수 부문에서는 압전/열전 소재, 폐자원을 활용한 바이오 플라스틱 등이 주목 받고 있다.
에너지 효율 개선의 요구가 커질수록 소재 산업에 대한 기대 수준도 높아질 것이다. 융복합 소재가 늘면서 유기, 무기, 금속 소재 기업간 즉 이종 소재기업간의 경쟁도 더욱 심화될 가능성이 있다. 소재 부품 기업들은 더 수요 산업 관점에서 볼 수 있어야 하며 기존의 역량의 한계를 벗어나 다양한 분야의 기술 역량을 향한 열린 자세를 갖는 것이 절실해 보인다.
Ⅰ. 점점 커지는 에너지 효율의 중요성
또한, 2035년에는 에너지 관련 이산화탄소 배출량이 2010년 304억톤에서 364억톤으로 증가하여 장기적으로 세계 평균 온도가 섭씨 3.5도 정도 상승할 것으로 예상되고 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 증가해서 장기적으로 섭씨 6도 상승하여 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.
2011년 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 낙관적인 것은 아닐 것으로 생각된다.
신재생 에너지가 중요 에너지원으로 대두될 것이라는 희망적인 견해도 있지만 향후 에너지 소비 증가의 상당 부분을 차지하고 있는 중국, 인도 등에서는 비용이 비싼 신재생 에너지보다는 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 2012년 경제 산업성의 산업 기술 관련 예산을 보면 일본이 안고 있는 에너지, 환경 제약 등 구조적 과제를 극복할 수 있는 중요 프로젝트로서 고효율, 초저소비 절전형 소재 및 기술 개발 그리고 재생 가능 에너지나 전기 자동차 보급 확대에 필요한 부품 및 소재 개발 등이 포함되어 있다.
또한 EU 집행위원회는 ‘에너지 2050 계획’에서 가장 중요한 요소로 ‘에너지 효율 및 신재생 에너지 사용’을 지적했으며 미국 오바마 정부도 최근 빌딩에서의 에너지 효율 개선을 위해 약 40억 달러를 투자하는 등 효율적인 에너지 사용에 대한 정부 차원의 움직임이 서서히 나타나고 있다.
이러한 에너지 효율 개선의 움직임에서 부품 및 소재가 차지하는 비중은 상당할 것으로 예상된다. 왜냐하면 획기적인 에너지 효율 개선은 부품 내지 소재 개선 없이는 거의 불가능하고 실제로 최근 풍력, 태양광 등 신재생 에너지 사업에서 어떤 소재를 사용하였느냐에 따라 성능이나 가격이 크게 바뀌기 때문이다. 앞으로도 에너지 효율성이 강조되면서 소재를 중심으로 한 기술 개발이 더욱 활력을 받을 것으로 예상된다.
Ⅱ. 에너지 효율 제고형 유망 부품 및 소재
향후 에너지 효율 개선 측면에서 주목 받고 있는 부품 및 소재는 어떤 것들이 있을까? 에너지 효율을 개선하려는 어떠한 노력들이 있는지, 최근 기업들이 주목하고 있는 부품 및 소재들은 어떤 것들이 있는지 에너지의 생산 및 사용 형태별로 구분하여 살펴본다.
무엇보다도 풍력, 태양광 등 신재생 에너지의 생산 과정과 석탄, 석유 등 에너지원들의 에너지 전환 과정에서의 에너지 효율성 이슈가 대두된다. 소비되는 사용처에 따라 수송용, 가정용/상업용/산업용에서의 에너지 효율성 이슈를 생각할 수 있고 그리고 마지막까지 사용되지 않고 버려져 왔던 에너지를 회수하여 사용하는 과정에서의 효율성을 생각할 수 있다. 본고에서는 각 부문에서 이루어지고 있는 에너지 효율 향상을 위한 노력을 살펴보고 주목받고 있는 유망소재와 부품을 추출해 본다.
1. 발전 등 에너지 전환 부문의 유망 부품/소재
풍력 발전 소재
에너지 전환 과정은 크게 석유, 석탄 등을 전력으로 생산하는 기존 발전 방식이 있고 풍력, 태양광 등 재생 가능 에너지를 사용해서 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 늘어나고 있다.
또한 발전 효율을 더욱 향상시키기 위해 블레이드를 대형화하려는 시도가 이루지면서 대형 블레이드에 적합한 새로운 소재 개발이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 현재 가격 경쟁력 확보를 위해 비교적 가격이 싼 유리 섬유로 보강한 유리 섬유 강화 플라스틱이 주로 사용되지만 120미터가 넘는 블레이드 제조를 위해서는 유리섬유에 비해 기계적 성질이 좋은 탄소 섬유를 추가로 사용해야 한다.
최근 탄소 섬유/유리 섬유 하이브리드 형태로 보강된 플라스틱이 개발되고 있으며 앞으로 탄소 섬유 사용 비중은 점차 높아질 것으로 예상된다.
탄소 섬유에 대한 수요 중에서 풍력 발전의 수요가 가장 크다. ICIS Chemical Business에 따르면 2015년에는 풍력 발전용 탄소섬유 수요가 2010년 약 만 톤 대비 약 4배, 2019년이며 6배 이상 증가할 것으로 전망하고 있다.
태양전지 소재
태양전지의 경우 전체 원가에서 가장 높은 비중을 차지하고 있는 부분이 소재이기 때문에 소재에 대한 관심이 상당히 높다. 태양전지 소재로서 결정질 실리콘 외에 실리콘 박막, CIGS(Copper, Indium, Gallium, Selenide) 박막, CdTe 박막, 유기 염료 등 다양한 소재가 개발되고 있으며 각 소재마다 장단점이 달라 태양전지를 사용하는 용도에 따라 소재를 달리 사용하고 있는 상황이다.
최근 태양전지의 원가 경쟁력 확보를 위해 고효율, 저가의 소재를 개발하는 것이 가장 중요한 이슈로 대두되고 있다. 결정질 실리콘은 원료인 폴리실리콘 가격이 높아 상대적으로 가격이 비싸다는 단점이 있지만 상대적으로 효율이 높다는 장점이 있다. 특히 단결정질의 경우 최고 수준의 효율을 가질 수 있을 것으로 알려져 많은 기업들이 관심을 가지고 적극 개발하고 있다. 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 주목을 받을 것으로 예상된다. 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 이루어 진다면 중요 발전 수단으로 대두될 가능성이 높다.
이러한 중요성으로 인해 현재 선진국을 비롯하여 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 증가하여 약 165억 달러가 될 것으로 전망하고 있다. 연료전지 소재 중에선 특히 고분자 전해질 연료전지의 소재인 고분자 전해질 소재 그리고 고체 산화물 연료전지의 고체 산화물 전극 소재에 대한 연구가 집중되고 있다.
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
2. 수송용 부문의 유망 부품/소재
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 경량 소재에 대한 관심이 집중하고 있다.
경량소재로 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 대표적인 경량 소재다. 한편 비금속 계열로서는 과거 플라스틱이 주로 사용되었지만 최근 유기 소재인 플라스틱과 클레이 등 무기 소재를 복합해서 만든 유무기 복합소재 그리고 탄소 섬유 복합 소재 등이 단연 두각을 나타내고 있다.
자동차용 2차전지 소재
이와 동시에 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 대한 관심이 쏠리고 있는 상황이다.
지금까지 2차 전지는 주로 소형 모바일 기기에 사용되어 왔으나, 전기 자동차용 수요가 확대되면서 고용량, 고출력, 안전성 강화 등 전기 자동차에 적합한 전용 전지 개발이 요구되는 추세이다.
2차전지의 주요 소재인 전극 소재 개발을 위해 여러 기업들이 연구하고 있으며 현재에는 음극재로서 흑연이나 Hard Carbon 등 탄소 소재가 사용되고 있고 양극재로서 리튬과 코발트, 망간 등을 합성해서 만든 소재가 사용되고 있다.
현재 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 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지 등이 차세대 소재로 꼽히고 있다.
3. 가정/상업/산업용 부문의 유망 부품/소재
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 사용되어 왔다.
문제는 이러한 전력 변환 과정에서 전력 손실이 발생하며, 전력 손실은 곧바로 열에너지로 바뀌어져서 시스템의 안정성에까지 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 최근 이러한 전력 손실을 획기적으로 줄일 수 있는 반도체 기판 소재가 개발되고 있는데 탄화 규소(SiC), 질화 갈륨(GaN), 산화아연(ZnO) 등이 이에 해당된다.
실례로 초고순도 SiC 소재를 적용한 SiC 에너지 반도체 소자는 기존의 실리콘 소자 대비 인버터와 컨버터의 에너지 효율을 개선함으로서 에어컨의 경우 전력 손실의 약 70% 감소, 산전 기기의 경우 스위칭 속도 4배 향상 및 전력 손실 50% 감소가 가능하다.
이러한 절감 효과로 인해 차세대 반도체 소재로 불리우는 SiC, GaN, ZnO 소재에 대한 연구가 기업과 학계를 중심으로 활발히 진행되고 있다.
LED/OLED 소재
또한 기존 조명기구/디스플레이에 비해 저전력 소비 및 장수명의 특징을 가진 LED, OLED 가 미래의 중요 제품으로 주목을 받고 있는 상황이다. 특히 LED는 대형 TV 나 노트북의 백라이트로 사용되면서 급속히 성장하고 있다.
한편, LED의 많은 장점에도 불구하고 가격이 워낙 비싸 고전을 면치 못하고 있는 조명시장 분야도 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 사용하며 향후 응용 분야가 소형 디스플레이뿐만 아니라 플렉시블 디스플레이 등으로 확대될 것으로 기대되고 있다.
LED와 OLED 각각 발광 소재에 의해 특성이 결정되므로 우수한 발광 특성을 갖는 발광 소재 개발이 가장 중요하다고 볼 수 있다. 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 발광 소재와 형광 발광 소재로 구분되며 차세대 소재라 할 수 있는 인광 발광 소재에는 이리듐을 포함하는 유기 금속 화합물이 사용되고 있다.
단열 소재
건물에서의 에너지 소비를 획기적으로 줄이기 위해서는 건물의 단열이 매우 중요하다. 예전부터 발포 스타이렌 수지(일명 스티로폼)나 폴리 우레탄 등의 단열재가 많이 사용되고 있으나 단열재를 많이 사용할 수록 건축물의 벽 두께가 점점 두꺼워져서 공간이 줄어들고 결과적으로 건축비가 상승하는 문제가 야기되기 때문에 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 흄드 실리카 등을 넣고 내부를 진공으로 처리한 제품으로 기존 단열재에 비해 최고 10배의 단열 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
한편 도심내에 열섬 현상으로 에너지 소비가 가중되는 문제를 해결하기 위해 차열 도료가 주목을 받고 있다. 차열도료의 주요 원리는 도료가 건축물으로 흡수되는 태양 열에너지를 차단함으로 건물 내부 온도 상승을 막아주는 것이다. 그밖에 다공성 소재를 넣어 단열 효과를 가미한 단열 도료 그리고 차열 도료의 단점을 보완한 열교환 도료 등이 주목을 받고 있다.
4. 폐기 에너지 회수 부문의 유망 부품/소재
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 이용해서 열을 전기에너지로 변환시키는 열전 변환기술을 이용한 소재다.
열전 변환 기술은 오래 전에 개발되었지만 낮은 변환 효율 등으로 상업화가 되지 않고 있다가 최근 소재 분야에서 나노 차원의 제어 기술이 발달하면서 주목을 받고 있다. 이 소재를 사용한다면 그동안 버려져 왔던 산업 폐열 뿐만 아니라 자동차의 폐열 등에서 에너지를 생산할 수 있고 나아가 열전 소재는 원격 측정 장치용 전원이라든지 휴대용 발전기용 등 소형발전기용 소재로 사용될 수 있다.
현재 Bi-Te계를 사용하기 위한 연구가 진행중이며 아직 초기 연구 개발 수준으로서 미국, 일본, 독일 등에서 정부 지원하에 연구가 이루어지고 있다.
압전 소재
한편, 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 무연 압전 세라믹, 압전 단결정, 압전 폴리머 등이 있다.
기술력에서 가장 선두에 있는 일본의 경우 일본 도쿄역에 압전매트를 설치하여 사람들이 밟으면서 생기는 압력을 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 등 시범 사업을 진행하고 있다.
바이오 플라스틱 소재
그밖에 식용 자원을 원료로 이용하는 기존 바이오 플라스틱과 달리 폐목재 라든지 볏짚 등 폐자원을 원료로 사용하여 바이오 제품을 생산할 수 있는 기술도 주목을 받고 있다. 이러한 기술은 폐자원을 활용하여 기존 석유 기반의 석유 제품 및 석유화학 제품을 대체할 수 있는 제품을 생산할 수 있기 때문에 미래 유망 기술 중 하나로 꼽히고 있다. 주요 제품으로는 셀룰로오스 수지라든지 폴리유산(Poly Lactic Acid, PLA) 등 바이오 플라스틱이 이에 해당된다.
Ⅲ. 시사점
앞에서 살펴 봤듯이 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 기업간의 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 융복합화라는 말이 유행하듯이 소재 부품 기업들도 융복합 기술을 확보하는 것이 점점 중요해질 것으로 예상된다. 과거처럼 유기 소재 관련 기업이 유기 관련 지식만으로 살아가기가 점점 어려워 진다는 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 해외 DuPont, Arkema, Showa Denko 등 기업들은 환경, 에너지 등 미래 메가 트렌드를 인지하고 유기, 무기, 금속 복합 소재 개발을 적극적으로 추진하고 있으며 이를 위해 관련 선두 기업을 인수하는 등 기술 확보에 적극적이다.
향후 융복합 소재가 부상하면서 유기, 무기, 금속 소재 기업 간 즉 이종 소재 기업간의 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.
[LG경제연구원 유기돈 연구위원]
김경호 gnomics@naver.com
