그래핀(grapheme)이나 이황화몰리브뎀(molybdenum disulfide)과 같은 박막 재료들은 플렉서블한 전기장치를 만드는데 있어서 필수적이다. 하지만, 지금까지 어떤 재료들도 실리콘(silicon)과 경쟁할 정도의 전기적 속성을 지니지 못했다. 이제 일련의 연구자들이 흑린(black phosphorus) 박막 필름이 많은 통신 기기에서 발견되는 요소인 라디오 주파수 트랜지스터(radio frequency transistor)를 만드는데 이용될 수 있다는 사실을 발견했다[Nano Lett. 2014, DOI: 10.1021/nl5029717].

상온에서 가장 안정적인 원소인 흑린은 그라파이트(graphite)가 주름지어 있는 형태를 나타낸다. 흑린은 오랜 시간 동안 알려져 있었지만, 올해 처음으로 이들을 전기재료로 이용하기 위한 연구가 시작되었다. 사우스캘리포니아대(University of Southern California)의 전기공학자인 Han Wang은 흑린에 대해 흥미를 느꼈는데, 그 이유는 다른 이차원재료와 달리 이들은 밴드갭(band gap)을 가지고 있으며 전하를 꽤 잘 전도한다는 특징을 지니고 있기 때문이다.

밴드갭을 지니고 있는 재료는 전도와 절연 상태를 스위칭할 수 있다. 이러한 특징은 트랜지스터가 off 상태일 때 전력 소모를 줄일 수 있으며 양질의 신호를 제공할 수 있다. 높은 전하이동성(charge mobility)을 지닌 물질은 전하를 잘 전도하며 이들로 만들어진 트랜지스터는 빠르게 on, off될 수 있다. 그래핀(Graphene)은 밴드갭이 없지만 이들은 높은 전하이동성을 지니고 있다. 반대로 이항화 몰리브데늄(molybdenum disulfide)과 같은 2D 재료들은 밴드갭을 지니고 있지만 전하 이동성이 매우 낮다.

자신들과 다른 연구자들이 최근 그 재료에 대해 연구한 결과를 토대로, 예일대(Yale University)의 Wang, Fengnian Xia와 동료 연구자들은 흑린으로 이루어진 트랜지스터를 개발했다. 이 트랜지스터는 기가헤르츠(gigahertz) 범위에서 작동할 수 있으며 1초에 200억번 on, off를 반복할 수 있다. 이들의 성능은 핸드폰 등에서 발견되는 라디오 주파수 통신에서 이용되는 트랜지스터의 성능과 유사하다. 이 트랜지스터들은 실리콘으로 이루어져 있는 것들이다.

트랜지스터를 만들기 위해 연구자들은 기계적으로 부피가 큰 흑린을 조각냈다. 그들은 6~10 나노미터 정도의 두께를 지닌 조각을 선택해 이들을 이산화실리콘(silicon dioxide)으로 토핑된 실리콘 웨이퍼(wafer) 위에 두었다. 트랜지스터를 완성하기 위해, 연구자들은 금속 전극과 게이트를 만들기 위해 필요한 일반적인 방법을 이용했다. 이 새로운 트랜지스터는 매우 커 약 300나노미터 정도의 너비를 지니고 있다. 연구팀이 수행한 시뮬레이션에 의하면 이 트랜지스터는 이들의 두께가 50나노미터나 그 이하로 떨어지게 되면 100GHz에서도 작동할 수 있을 것으로 보인다.

Wang은 이에 대해 "흑린 전기장치를 개발하는 데는 아직 많은 연구가 필요하다. 예를 들어 연구자들은 이들을 대면적 박막 필름으로 만들 수 있는 방법을 개발해야 한다"고 말했다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

2020년 일본 시장 전망(2013년 대비)
바이너리 발전 시스템 46억엔(12.8배) : 산업 시설을 중심으로 확대
전력 자유화 관련 기기 2,032억엔(5.1배) : 전력 회사의 전력 스마트미터의 본격 도입 진행

일본의 주식회사 후지경제에서는 태양 전지나 풍력 발전 등 재생 에너지 시스템, 범용 인버터/인버터 탑재 기기, 축전 시스템, 변환 시스템 등 일본 및 세계 시장을 조사했다.그 결과를 보고서 "2014 전력·에너지 시스템 신시장"에 정리했다.

이 보고서에서는 태양 전지/태양열 발전 시스템 3개, 풍력 발전 시스템 3개, 수력·해양 에너지 발전 시스템 5개, 지열·폐열 발전 시스템 3개, 바이오매스 발전 시스템 2개, 연료 전지 3개, 내연식 분산형 발전 시스템 3개, 축전 시스템 3개, 그리드 관련 기기 6개, 전력 자유화 관련 기기 5개, 전기 자동차/철도 차량 관련 기기 8개, 범용 인버터/인버터 탑재 기기 3개, 에너지 관리 시스템 3 품목에 대해 폭넓게 조사하고 그 동향을 정리했다.

[주목 시장]
1. 바이너리 발전 시스템의 일본 시장(지열·폐열 발전 시스템)
2013년 3.6억엔, 2020년 예측 46억엔(2013년 대비12.8배)
지열 발전 시스템은 건조 스팀, 플래시, 바이너리, 고온 암체의 각 방식이 있는데, 여기에서는 바이너리 방식을 대상으로 한다. 바이너리 발전 시스템은 물보다 끓는점이 낮은 매체를 가열·증발시켜 그 증기로 터어빈을 돌리는 저온 발전 시스템이다.지열 발전 설비의 선임 요건에 대한 재검토를 통해 출력 규모에 따른 보일러 터빈 주임 기술자의 배치가 필요없고, 또한, FIT(고정 가격 매입 제도)의 대상으로 되면서, 2012년보다 시장은 소규모 온천지의 수요에 따라 성장했다.

2013년의 시장은 3.6억엔이 되었다. 수요처는 산업 시설, 지열 발전소, 온천지이다. 산업 시설의 주요 도입처는 폐기물 소각장, 제철소, 대형로를 보유한 공장이다. 잠재 수요가 많은 업체들이 주력하고 있다. 지열 발전소는 저온 지열의 활용에 적극적인 큐슈 전력이 도입을 추진하고 있다. 온천지는 오이타현 벳푸시가 선행하고 있고, 1건당 규모는 작지만 영향력 있는 온천지가 도입하고 있다. 추가적인 시장의 확대를 위해서는 공장이나 폐기물 소각장의 개척, 지열 발전에서 첫 번째 고려 대상인 고온 발전을 도입할 수 없는 수요의 개척이 필요하다.

2. 가스 터빈 발전기의 일본 시장(내연식 분산형 발전 시스템)
2013년 1,230억엔, 2020년 예측 1,210억엔(2013년 대비98.4%)
시장은 산업·업무 시설용으로 가스 터빈을 이용한 상용, 비상용 발전기를 대상으로 했다. 동일본 대지진 이후, 가스 터빈 발전기가 주목을 받고 있다. 2013년의 시장은 1,230억엔이 되었다. 2012년, 2013년 상반기까지는 비상용 발전 용도가 시장을 견인했으나, 이후에는 상용 발전용 수요가 표면화 되어 시장 확대에 공헌하고 있다. 2015년 이후에는 지진 수요가 정착되었지만, 저렴한 셰일 가스의 수입 목표에 따라 2017년부터 시장이 다시 확대될 것으로 예상된다.

[관심 분야·카테고리 시장]
1. 전력 자유화 관련 기기의 일본 시장
2013년 396억엔, 2020년 예측 2,032억엔(2013년 대비 5.1배)
시장은 쌍방향 통신 기능을 갖춘 전력 스마트 미터, 가스 스마트 미터, 수도 스마트 미터와 함께 디멘드 컨트롤러와 측정 기능이 있는 차단기를 대상으로 했다. 2013년의 시장은 396억엔이 되었다.
전력 스마트 미터는 게이트 웨이로서 전기 기기·설비 기기의 제어, 검침 데이터를 해석하기 쉽게 하는 기능과 수요 예측 등을 하는 것이 주류이다. 2014년부터 도쿄 전력은 본격적인 도입을 예정하고 있으며, 2015년에는 오키나와 전력도 본격 도입을 예정하고 있다. 향후, 일본 내 10개 전력 회사는 2025년까지 도입을 완료할 것으로 보인다.

가스 스마트 미터는 실시간 사용량을 파악하는것 외에 가스 누출 검지기나 화재 경보기 등과 연계하여 가스 공급을 원격 모니터링하고 가스 이용시 안전성 향상을 도모한다. LP가스 회사가 보안을 목적으로 선행 도입했다. 이어 통신 기능 강화와 공간 절약의 우위성에서 주요 도시 가스 회사가 도입하여, 그 후 지방 도시 가스 회사에서도 도입이 진행되었다. 2015년 이후, 갱신 수요가 본격화될 것으로 예상됨에 따라 시장이 확대되고 2020년에는 100% 가까운 도입율이 될 것으로 보인다.수도 스마트 미터 시장은 연간 8만대 정도이다. 수도 사업은 지자체가 운영하고 있으며, 시장 경쟁이 없다. 전력이나 가스 스마트 미터와 비교해 채용률이 낮으며, 비교적 가격이 높아 시장의 대폭 확대는 어렵다.디맨드 컨트롤러는 2013년에는 공장의 절전 대책 수요가 주춤하면서 학교나 병원, 자치 단체 시설에서 일정한 수요가 발생했지만, 사무실 빌딩에서 각종 "가시화" 도구의 도입이 진전되면서 감소했다. 2014년 이후는 참여 업체들이 고기능화 제품의 투입을 추진하는 한편, 중소 규모의 공장이나 오피스 수요 창출을 진행시킬 것으로 보인다. 또한, 대상 범위가 좁은 계측 점수도 적은 비교적 저렴한 제품도 투입되는 등 시장의 확대가 기대된다.

측정 기능을 갖춘 차단기는 공장이 폐쇄되는 한편, 기존 공장에 신규 도입을 획득함으로써 제자리 걸음하고 있다. 2013년 5월에 시행된 개정 에너지 절약법에 따라 에너지 사용량의 계측 범위가 확대되었다. 이에 따라 이미 공장에서 도입했던 제조업에서 다른 공장에도 도입을 추진한 것 외에 오피스 빌딩의 도입도 많아졌지만, 결과적으로는 조금 줄어들었다. 2014년 이후에는 각사가 전력 모니터링이나 데이터 서버 등과의 조합에 의한 전력 감시 시스템의 제안이 강화되면서 완만하게 증가해 나갈 것으로 전망된다.

[재생 에너지 시스템의 일본 시장]
2013년 7,260억엔, 2020년 예측 6,729억엔(2013년 대비 92.7%)
시장은 태양 전지/태양열 발전, 풍력 발전 수력·해양 에너지 발전, 지열·폐열 발전, 바이오매스 발전 시스템을 대상으로 한다. 2013년의 시장은 7,260억엔이 되었다.

태양 전지/태양열 발전 시스템은 2012년보다 FIT가 시작되면서 시장이 대폭 확대했다.풍력 발전 시스템에서는 육상 풍력 발전이 2013년에 FIT의 시행에 따른 확대보다 보조금 폐지의 축소 영향이 커 결과적으로 축소되었지만, 향후에는 FIT에 의한 시장 확대가 예상된다. 해상 풍력은 착상식, 부유식 모두 여러 안건이 있어 중장기적인 확대를 기대할 수 있다.수력·해양 에너지 발전 시스템에서는 소형, 중형 수력 발전이 FIT의 시행에 따른 1,5MW 규모의 시스템을 중심으로 도입이 확대되었다. 향후, 소형, 중형 수력 발전이 성숙기로 이행할 것으로 보이지만, 파력, 해양 온도차, 조류·해류의 해양 에너지 발전 시스템의 상용화가 기대되므로, 향후 시장은 크게 늘어날 것으로 예상된다.지열·폐열 발전 시스템에서는 지열 발전(바이너리 발전 제외)은 아키타 현에서 2020년 가동을 목표로 한 안건이 있어 대규모 사업으로 주목된다. 바이너리 발전과 열전 발전의 경우, 완만하게 시장이 늘어날 것으로 보인다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

- 백금을 사용하지 않는 탄소계의 촉매를 개발 -

일본 화학 메이커인 데이진(Teijin, 帝人)이 연료전지의 비용을 저감하는 새로운 촉매를 개발하였다. 탄소섬유의 원료에 철을 포함한 ′카본 합금(carbon alloys)′의 일종으로 연료 전지의 화학반응에 빠뜨릴 수 없는 촉매가 된다. 가정용이나 자동차용 연료전지에 사용되는 고가의 백금에 대신하는 저비용 촉매로서 실용화를 목표로 한다.

데이진이 개발한 ′카본 합금 촉매′는 탄소섬유의 원료가 되는 ′polyacrylonitrile′에 철을 첨가하여 제조한다(<그림 1>). polyacrylonitrile은 아크릴 섬유의 주성분으로 제조비용이 싸고 조달도 간단한 점이 특징이다. 현재 상태로서는 발전 성능 등의 점으로 실용화의 수준에 이르고 있지 않지만 향후 연료전지의 가격 삭감을 가져오는 유력한 소재로서 기대를 하고 있다고 한다.

연료전지는 화학반응에 의해서 전류를 일으키는 ′전해질′을 사용하여 수소와 산소로부터 물과 전기를 만드는 발전 장치이다. 현재의 주류는 전해질에 고체 고분자막을 이용하는 ′고체 고분자형 연료전지(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)′와 세라믹을 이용하는 ′고체 산화물형 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)′의 두 종류가 있다(<그림 2>). 어느 방식에서도 화학반응을 촉진하기 위한 촉매가 필요하게 된다.

작동 온도가 700도 이상이 되는 SOFC에서는 염가의 니켈을 촉매에 사용할 수 있는데 반해 70~90도로 낮은 작동 온도의 PEFC에서는 고가의 백금을 촉매에 사용하여 화학반응을 가속시킬 필요가 있다. 가정용이나 자동차용 연료전지에는 저온으로 취급이 간단한 PEFC가 유력하지만 백금을 사용하기 위해서 고비용이 되는 점이 큰 과제라고 한다.

자동차용 연료전지의 경우에는 1대로 50~100그램의 백금이 필요하게 된다. 공업용 백금의 가격은 1그램당 5,000엔(약 5만원) 전후가 현재의 시세로, 연료전지의 촉매로 1대 당 25만~50만 엔(약 250만~500만 원)의 비용이 소요된다. 염가의 카본 합금 촉매를 이용할 수 있으면 가정용이나 자동차용의 연료전지의 가격 저하로 연결될 것으로 예상된다.

데이진은 카본 합금 촉매의 입자를 미세화하는 것에 의해서 비백금계의 촉매로서는 세계 최고 레벨의 발전 성능을 발휘하는 것을 확인하였다. 다만 실용 레벨의 연료전지에 사용하기 위해서는 보다 나은 발전 성능이나 내구성의 개선이 필요하다. 향후에도 카본 합금 촉매의 개량을 계속하여 2025년까지 실용화할 계획이라고 한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』