태양에너지 및 에너지저장장치 비용이 지속적으로 하락하고 있고, 보다 많은 전력소비자들이 수용하고 있으며, 에너지효율 기술이 확산되면서 전력회사의 수익 하락 가능성에 대한 우려가 현실이 되었다. 경영컨설팅 및 기술서비스 기업인 Accenture의 신규 조사 자료에서 최근 전력회사의 수익이 재생에너지 및 저장장치 확산, 에너지효율 기술 보급 등의 요인으로 감소하였음을 확인 또는 재확인하였다. Accenture는 분산형 에너지와 에너지효율 기술을 발달로 전력회사 수입이 미국에서 연간 480억 달러, 유럽에서 연간 750억 달러 감소할 수 있다고 주장하였다. 그나마 전력회사 입장에서 긍정적인 소식이라면, Accenture가 전망한 손실 전망 범위에서 낮은 수준의 손실 전망치가 보다 현실적이라는 것이다.

Accenture는 이번 연구에서 전력망에서의 부하 감소로 인해 향후 10년 후 가장 가능성이 높은 시나리오로 미국에서 연간 180억 달러, 유럽에서 연간 480억 달러 규모로 전력회사 수입의 손실이 발생할 것이란 전망을 내놨다. Accenture는 이러한 이유의 주요 전제로 에너지 효율 및 분산발전 기술의 수용 확대가 보조금 없이도 가능할 수 있을 것이라는 점을 내세웠다. 이러한 전제는 고객의 선호도를 높이고 기술도입 비용을 줄이며, 전기요금이 꾸준히 상승하는 흐름에서 에너지효율 및 분산발전 기술 시장을 보다 빠르게 확대시킬 것이다.

연구 보고서는 또한 최근 많이 인용되는 전력회사의 “죽음의 나선(death spiral)”이 단기적으로 발생할 가능성은 희박하다고 강조하였다. 이 용어는 전력소비자들이 전력망을 이용하지 않고 독자적으로 전력공급을 할 수 있는 능력을 갖추든지, 전력망은 긴급 시에 백업용으로만 이용하게 되어 전력회사의 수익이 계속 감소한다는 시나리오를 가리킨다. 그러나 이 시나리오는 실현 가능성이 부족하고 비용적 측면에서도 현실성이 낮다고 보고서는 주장하였다.

Accenture의 연구에서는 세계 전력회사 임원진들을 대상으로 설문조사한 결과를 수록하고 있다. 이 설문조사 결과는 두 번째로 이루어졌다. 설문조사 결과 일부분을 정리하면 다음과 같다.
- 전력회사 임원진의 61%는 분산형 발전 때문에 상당한 또는 어느 정도의 수입 감소가 있을 것으로 예상하였다. 전년에는 43%였는데, 18%p가 증가하였다.
- 79%는 2030년까지는 보조금 없이 전력소비자들이 전력망을 이용하지 않고 지내기는 비용효과성 면에서 어려울 것으로 전망하였다.
- 북미 전력소비자의 12%와 유럽 전력소비자의 11%만이 2035년까지 에너지를 스스로 충당할 수 있을 것으로 내다봤다.
- 임원진의 61%는 2020년까지 저전압 분산형 재생에너지 발전으로 인해 전력망 결함이 늘어날 것으로 전망하였다. 전년 41%에 비해 20%p가 증가하였다.
- 51%는 대규모 재생에너지로 인해 전력망 결함이 늘어날 것으로 전망하였다. 전년도 33% 대비 18%p가 증가하였다.

이 설문조사는 또한 설문에 참여한 전력회사 임원진들이 신규 시장참여자들로 인한 경쟁이 늘어날 것으로 전망하였는데, 데이터 관련 서비스, 분산발전, 에너지 효율, 수요반응, 플러그인전기자동차와 같은 신규 영역에서 경쟁이 늘어날 것으로 전망하였다. 보고서는 전력회사들이 근본적으로 그들의 사업모델을 변화시킬 필요가 있다고 주장하였다.                

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

조만간 당신의 태블릿에 동력을 공급하는 것은 랩을 감싸는 것처럼 단순한 것이 될 것이다. 캐나다 토론토 대학(University of Toronto) 산하 전기 및 컴퓨터 공학부 소속의 Illan Kramer와 동료 연구진이 수행한 새로운 연구는 콜로이드 양자점(CQDs; colloidal quantum dots)이라고 알려진 극소의 빛에 민감한 재료를 이용하여 유연한 표면 위에 태양 전지(solar cell)를 분무하는 새로운 방법을 발명했다. 이러한 연구는 태양 전지 위에 분무함으로써 보다 더 저렴하고 손쉬운 방법으로 태양 전지를 구축하는 방안을 지향하는 중요한 도약이 될 것이다.

IBM 캐나다 연구 및 개발 연구소 소속이며, 토론토 대학 소속의 박사 후 과정 연구원인 Kramer는 언젠가 주택과 벽에 분무하는 태양 전지 기술을 구현할 수 있기를 희망한다고 밝혔다.

유연한 막 위에 프린트되는 광에 민감한 CQDs는 테라스에 배치하는 가구에서 항공기 날개에 이르는 모든 종류의 곡선 표면을 가지는 제품을 코팅하는 데 사용될 수 있다. CQD를 코팅한 막을 이용하여 감싼 자동차 지붕 크기의 표면은 3개의 100와트 백열전구 또는 24개의 콤팩트 형광등에 동력을 공급하기 충분한 에너지를 생산할 수 있다.

그는 새로운 시스템을 sprayLD라고 명명하고 이 시스템은 재료가 한 번에 1개의 원자 두께 표면 위에 올리는 원자층 증착(ALD; atomic layer deposition)이라고 불리는 제조 공정에 중요한 역할을 한다.

지금까지는 화학적 코팅에 대한 비효율적이고, 느릴 뿐 아니라 고가의 조립 라인의 배치 공정을 통하여 표면 위에 빛에 민감한 CQDs를 결합하는 것만 가능했다. SprayLD는 종이 롤 위에 잉크를 적용함으로써 신문을 인쇄하는 것과 마찬가지로 막 또는 플라스틱과 같은 유연한 표면 위에 CQDs를 함유한 액체를 직접적으로 분사시킨다. 이러한 롤-투-롤 코팅 방법은 기존의 제조 공정에 훨씬 더 단순한 방식으로 태양 전지를 결합시킬 수 있다. 최근 Advanced Materials 저널(“효율적인 분무-코팅된 콜로이드 양자점 태양 전지”)과 Applied Physics Letters 저널(“곡선과 유연한 기질 위에 양자점 태양 전지)에 발표된 2개의 논문에서, Kramer는 sprayLD 방법이 태양 전지 효율에서 중요한 손실 없이 유연한 재료 위에 사용될 수 있다는 것을 보여주었다.

Kramer는 화방에서 몇 개의 통상적인 에어브러시와 미세한 물 입자를 가진 강철을 냉각시키기 위하여 제강 공장에 사용되는 스프레이 노출처럼 쉽게 이용 가능하고 합리적인 가격에서 이용할 수 있는 부품을 이용하여 sprayLD 장치를 구축했다.

양자점은 용액 상태로부터 증착되는 공정을 거쳐 합성되는 반도체 나노결정으로 저렴한 비용으로 태양 전지를 구현할 수 있는 가능성을 가진다. 불행하게도 현재까지 보고된 CQD 태양 전지는 스핀 코팅과 같은 배치 공정 방법으로만 구현 가능하기 때문에, 규모를 확대하는데 제한된 용량을 나타낸다. 분무 코팅(spray-coating)은 우수한 질의 장치를 생성하는 균일한 양자점 막을 제조하는 수단을 제공한다.

이 연구에서, 연구진은 이전에 조사되지 않았던 다양한 기질 배열에 CQD 태양 전지를 제조하는 분무 코팅 방법의 다재다능한 특성을 조사했다. 롤-투-롤 제조 공정으로 분무 코팅 방법의 가능한 이동성이 6.7%의 평균 동력 전환 효율을 가지는 장치를 생성하는 신속하게 회전하는 드럼에 배치된 6개 기질 위에 CQD 활성 층을 분무 코팅함으로써 테스트됐다.

연구진은 유연한 기질 위에 분무하는 시도를 수행함으로써 공정의 생산 능력을 테스트하는 한편, 기질은 개방된 회로 전압과 타협하지 않고 7.2%의 우수한 성능을 달성하는데 중요하다. 굴곡이 있는 한 개의 축을 가지는 기질 위에 증착시키고, 이후 연구진은 5%의 효율을 달성하는 굴곡이 있는 2개의 축을 가지는 구형 렌즈 기질 위에 CQD 태양 전지를 구축했다. 이러한 결과는 분무 방법을 이용하여 증착된 CQD가 거대 면적 제조 공정에 통합될 수 있으며, 비상용 형태의 태양 전지를 제조하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 보여 주었다.

앙자점 박막은 광 검출, 광 배출 및 광전지 등의 영역에서 활성 재료로 급속한 진보를 보였다. 용액 상태로부터 양자점 박막 제조는 액체 상태 재료 증착과 관련된 예측된 비용 감축을 이유로 많은 응용에 대하여 매력적인 선택 사항으로 자리 잡고 있다. 길고 절연성 지방족 리간드(aliphatic ligand)를 이용하여 감싼 콜로이드 상태의 안정적인 나노입자는 원래의 리간드를 짧은 2 기능성 리간드로 대체하는 고체 상태 리간드 교환을 통하여 반도체성 불용성 막을 형성하는데 사용됐다.

이 논문에서 연구진은 이러한 리간드 교환(ligand exchange)이 높은 분자량 복합체가 형성될 수 있으며, 납 올레산염(lead oleate)과 보다 더 짧은 전도성 리간드를 모두 함유한 의도하지 않은 부작용을 초래할 수 있다는 것을 보여 주었다. 이러한 용해가 어려운 복합체는 양자점 활성 층 내에 삽입될 수 있다.

연구진은 추가로 막 공정이 수행되는 동안 산성 처리를 추가함으로써, 이러한 복합체를 분해 및 세정할 수 있으며, 보다 더 우수한 질을 가지는 CQD 고체를 생성했다. 개선된 재료는 이전에 보고됐던 CQD 고체의 채용을 제어하기 위한 감소된 일련의 저항과 강화된 충전율(fill factor)을 가지는 광전 장치로 이어졌다.

양자점 태양 에너지 기술은 성능에서 급속하게 진보하고 있기 때문에, 그 규모를 어떻게 결정할지, 제조할 수 있는 새로운 태양 기술을 어떻게 구축할 것인지는 중요하다고 토론토 대학 소속의 응용과학 및 공학부 소속의 Ted Sargent 교수는 밝혔다. 이러한 매력적인 제조 가능한 분무-코팅 공정은 순도와 제어를 개선함으로써 우수한 성능을 보유한 장치로 이어질 수 있다고 Sargent 교수는 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

ACS Nano 저널에 발표된 세 번째 논문(“양자점 고체에서 전기적으로 활성을 띠는 불순물”)에서, Kramer와 동료 연구진은 IBM사의 BlueGeneQ 슈퍼컴퓨터를 이용하여 분무된 CQDs가 배치 공정의 유사한 제품과 비교했을 때 어떻게, 왜 일부 사례에서 더 우수한 성능을 나타내는지 모형화했다.

- 태양광 발전의 ′자기 소비 모델′ 확립을 목표 -

일본 신에너지 산업기술 종합개발기구(이하, NEDO)는 독일에서 Speyer시, Speyer 전력 공사, 주택공급공사 GEWO사 등과 협력하여 에너지 자기 소비 모델형의 스마트 커뮤니티 실증 사업을 위한 사전 조사를 개시한다.

본 사업에서는 일본의 우수한 축전?축열 기술이나 ICT 기술에 의해 실증 시스템을 구축하여 태양광 발전으로 발전한 전력을 ′자기 소비 모델′의 확립 등을 목표로 한다.

사전 조사의 개요에 따르면, 독일에서 현재 전력 수요의 20% 이상을 재생 가능 에너지로 조달하고 있어 독일 정부는 그 비율을 2020년에 35%, 2050년에 80%로 하는 목표를 하고 있지만 태양광 발전 비용 저감에 따라 이미 그리드 패리티(주 1)가 성립되어 있어 고정가격 매입 제도가 사실상 종료되고 있다. 이런 이유로 태양광 발전 설비를 설치한 전력 수요가가 태양광 발전에 의해서 발전한 전력을 전력회사에 매전하는 메리트가 없어진 상황이 되고 있다. 또한 태양광 발전으로부터의 역조류(逆潮流)(주 2)는 배전선의 용량 제약으로부터 받아들여지기 어렵고 이미 인버터의 출력 억제를 주택용 태양광 발전 설비에도 부과하고 있어 태양광 발전에 의해서 발전한 전력을 최대한 자가 소비하여 전력회사에 매전하지 않는 시스템을 구축하는 것이 매우 중요한 과제가 되고 있다.

이러한 배경으로부터 NEDO는 재생 가능 에너지 도입의 선진국 중 하나인 독일에서 Speyer시, Speyer 전력 공사, 주택공급공사 GEWO사 등과 협력하여 태양광 발전 설비를 설치한 전력 수요가의 경제적인 메리트를 높이는 것과 동시에 역조류에 의한 배전 계통의 전력 품질 저하에 대처하기 위하여 에너지 자기 소비 모델형 스마트 커뮤니티 실증 사업을 위한 사전 조사를 개시한다.

본 사업에서는 일본의 우수한 축전 기술, 히트 펌프 온수기와 같은 축열 기술, HEMS의 기능을 실현하는 ICT 기술에 의해 실증 시스템을 구축하여 실제 생활환경 속으로의 운전을 실시하여 태양광 발전으로 발전한 전력을 자기 소비를 하는 태양광 발전의 ′자기 소비 모델′을 확립하여 독일의 중요 과제인 태양광 발전으로부터의 역조류 억제에 공헌하는 것과 동시에 주택에 있어서의 열을 포함한 전체 에너지 비용을 저감하는 효과의 실증도 목표로 할 것이라고 한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

- 금속이나 인체 등 여러 가지 소재에 장착 가능한 소형 박형 RFID 태그 개발 -

ID 카드나 웨어러블 기기, 금속 부품 등 전파의 제한을 받고 있던 소재에 장착하여 이용 가능한 소형 박형 RFID 태그를 일본 주식회사 후지쯔(Fujitsu) 연구소가 개발하였다.

지금까지 전파를 보내기 어렵게 하는 성질을 가지고 있는 금속이나 몸에 부착하는 ID 카드로 RFID 태그를 실장하여 예를 들면 2m의 통신 거리를 확보하는 경우 전파 파장의 제약으로부터 75mm 이상의 길이로 하는지, 5mm 정도의 두께가 필요하여 소형과 박형의 양립이 곤란하였다.

이번에 RFID 태그를 얇은 수지에 감아 루프 모양으로 하는 새로운 구조로 전파를 방사하는 기술을 개발하여 여러 가지 대상에 부착 가능하고 길이 30mm, 두께 0.5mm의 세계 최소 박형 RFID 태그를 실현하였다.

본 기술에 의해 기계 부품의 관리나 몸에 부착한 ID 카드에 의한 입퇴실 관리 등 여러 가지 장면에 있어서의 RFID의 이용이 가능하게 된다.

개발의 배경으로는 최근 여러 가지 부품이나 상품에 태그를 부착하여 전파로 개별 정보를 판독하는 것으로 부품 관리나 상품의 재고정리 업무의 효율화를 실시하는 RFID 시스템이 보급되고 있다. 통신 가능한 거리는 전파의 종류에 따라서 다르지만 TV나 휴대전화로 비교적 주파수가 가까운 UHF대 전파를 이용한 방식은 통신 거리가 수 m로 길고 RFID 시스템으로 폭넓게 이용되고 있다.

RFID 태그는 설치 물체의 종류를 선택하지 않으면서 설치 장소의 대상을 폭넓게 할 수 있도록 소형 박형인 것이 요구되고 있다. 그러나 금속이나 인체는 전파를 전달하기 어렵게 하는 성질이 있기 때문에 RFID 태그를 부착하는 대상이 금속이나 몸에 부착하는 ID 카드 등의 경우 직접 부착하면 전파가 전달되지 않고 통신할 수 없다는 과제가 있었다. 따라서 기존에는 RFID 태그와 설치 대상 사이에 공간을 확보하기 위한 부재(spacer)를 넣어 일정한 두께를 확보하고 금속이나 인체의 영향을 저감시키는 것으로 수 m라는 통신 거리를 실현하고 있었다. 예를 들면 부재의 두께를 1 mm로서 통신 거리를 2m 이상으로 하기 위해서는 전파 파장의 제약으로 RFID 태그의 길이를 75mm(전파 파장인 약 300 mm의 4분의 1) 이상으로 할 필요가 있었다.

한편 같은 통신 거리로 RFID 태그의 길이를 그 반의 33mm(파장의 8분의 1)로 소형으로 하는 것도 가능하지만 이러한 경우 부재의 두께를 5mm 이상으로 할 필요가 있었다. 즉 기존의 RFID 태그는 태그의 길이와 부재 두께 사이에 트레이드 오프(trade-off)의 관계가 있으면서 전파의 파장에 의존한다는 제약이 있기 때문에 소형과 박형 양립이 곤란하였다.

이번에 개발한 기술은 RFID 태그를 고무나 플라스틱 등 얇은 수지에 감아 양단을 중첩한 루프 모양으로 하는 새로운 구조로 전파를 방사하는 기술을 개발하여 파장의 제약을 없애는 것에 성공하였다고 한다.

개발한 태그를 금속에 직접 부착한 경우 루프 형상에 따른 형태로 큰 전류(루프 전류)가 흐르게 되어 그 전류의 일부가 부착된 금속 측에 흐르게 된다. 루프 전류로부터 발생하는 본래의 전파와 부착된 금속에 흐르는 전류로부터 발생하는 새로운 전파 2개가 합성되어 금속의 위쪽으로 방사된다. 또한 목표로 하는 태그의 크기에 따라 RFID 태그 양단이 겹치는 부분의 길이와 두께를 적당히 조정하는 것으로 흐르는 전류의 정도(합성된 전파의 밸런스)를 최적화할 수 있어 통신 거리를 최대화시킬 수 있다. 즉 부착된 금속을 안테나의 일부로서 기능시키는 것으로 수 m라는 거리의 통신이 가능하게 된다.

한편, 금속이 아닌 플라스틱 제품의 ID 카드나 골판지 등에 부착할 때는 루프 전류로부터 발생하는 전파만으로 동작하여 RFID 태그의 주위에는 전파의 방사를 방해하는 금속 물체가 없기 때문에 전파가 루프 모양에 효율좋게 전달되기 때문에 금속과 동일한 통신이 가능하게 된다.

또한 인체에는 수분이 많이 포함되어 있어 전기를 흐르기 쉬운 구조이므로 금속과 같게 취급할 수 있다. 태그를 내장한 ID 카드를 몸에 부착한 때는 금속에 부착한 것과 동일한 동작을 하는 것으로 인체에 부착한 영향을 경감할 수 있다.

본 기술에 의해 전파의 제약을 없애는 것으로 부착하는 소재를 선택하지 않고 어디에라도 장착 가능한 길이 30mm, 두께 0.5mm의 세계 최소의 박형 RFID 태그를 실현할 수 있다. 이것에 의해 장착 가능한 대상이 다양하게 되어 예를 들면, 기계 부품의 관리나 몸에 부착된 ID 카드에 의한 입퇴실 관리 등 여러 가지 응용 면에 있어서의 RFID 이용이 가능하게 된다.

향후 본 기술에 관해서 보다 양산이 용이하게 되는 방식의 개발을 진행시켜 2015년도 실용화를 목표로 할 것이라고 한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』