도시 폐기물 또는 지속가능한 원료물질인 산림과 농업 부산물 등의 바이오매스로부터 전기를 생산하는 것은 지구온난화가스 배출을 줄일 수 있는 효과적인 전략 중 하나로 평가되고 있다. 바이오매스는 대기 중 탄소를 몸속에 고정하기 때문에, 이러한 바이오매스를 에너지화하는 과정은 일종의 탄소 중립(Carbon-Neutral) 효과를 유발하게 된다.
미국 버클리대학교 연구진은 바이오매스 전력 생산이 미국 서부의 탄소 고정 및 포집과 결합할 경우, 전력 발전시설이 실질적으로 배출량보다 더 많은 탄소를 저장하는 셈이라고 설명했다. 또한 전체적인 제로 탄소 미래에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 판단했다.
탄소 고정 및 포집 기능의 바이오에너지(BECCS, Bioenergy with Carbon Capture and Sequestration) 측면에서, 바이오매스 연소를 통한 탄소 고정을 통해 가스 또는 석탄 발전 시설을 유지시키더라도 전력 발전 시설을 탄소음성으로 바꿀 수 있다고 판단한 것이다. 탄소 저감은 수송에서 사용되는 화석연료의 탄소 배출을 상쇄할 수 있다.
버클리대학교 Daniel Sanchez는 “탄소 고정 및 포집 기술에 대한 상업화의 불확실성은 매우 다양하게 존재한다. 하지만 우리 연구진은 현재의 BECCS 기술력을 바탕으로 시뮬레이션한 결과, 캘리포니아 주의 2050년 탄소 배출 저감 목표치의 80% 수준 정도로만 도달할 것으로 확인됐지만, 전력 시스템은 음성적 탄소 배출에 성공할 것으로 예상된다”고 설명했다. 

▲ 2050년의 CO2 방출량 (사진. KISTI 미리안)

나가오현 마츠모토시는 시내의 정화센터에 출력 315㎾의 연료전지시스템을 도입해 쓸모가 없다고 판단됐던 소화가스(메탄가스)를 이용해 발전하고, 2015년 2월부터 신전력으로 프리미엄 가격으로 판매한다고 발표했다.
메타워터사가 시로부터 설계, 조달, 건설을 수주해 료시마정화센터에 연료전지시스템을 포함한 소화가스 발전설비를 설치한 것으로, 연간 발전량은 약 168만㎾h로 예상되고 있다. 발전한 전력은 고정가격매입제도(FIT)의 판매가격보다 높은 프리미엄 가격으로 20년간 신전력인 에나리스에 판매하며, 마츠모토시가 투자한 사업비 4억 4,000만 엔은 전력판매로 회수하게 된다.
사업을 기획한 발단은 하수처리 시에 남는 슬러지에 있었다. 세균의 활동을 빌려 슬러지를 분해하면 메탄가스와 이산화탄소를 주성분으로 하는 소화가스가 연간 약 110만m3 발생하는데, 이는 가연성가스로 세균의 활동을 활발하게 하기 위해서는 슬러지를 분해하는 슬러지 소화조를 일정 온도로 유지할 필요가 있어 발생한 소화가스의 30~40%를 가온에 이용하고 나머지는 소각처분하고 있었다.
그래서 출력 105㎾의 연료전지시스템을 3기 도입해 소화가스를 연료로 한 발전을 시작하게 된 것이다. 연료전지시스템을 도입한 것은 효율이 높다는 것, 유지관리가 용이하다는 것, 소음 및 진동을 발생시키지 않는다는 것, 배기가스를 발생시키지 않는다는 네 가지 이유 때문이었다. 도입한 연료전지는 후지전기의 인산형연료전지(PAFC)로 발전효율이 약 40%로 높다.

▲ 완성된 소화가스 발전설비(사진. KISTI 미리안)

일본의 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science)의 연구진은 유기 반도체를 이용하는 트랜지스터에서 큰 향상을 이끄는데 성공했다고 밝혔다. 이 연구결과는 플렉서블하고 매우 얇은 컴퓨터 스크린을 구현하는데 큰 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다.
과학자들은 최근에 광활성 유기 전계 효과 트랜지스터에 많은 관심을 가지고 있다. 이 장치는 유기 반도체가 결합돼 있고, 약한 전기적 신호를 강화하며 빛을 방출하고 수신하는 유기 전계 효과 트랜지스터는 프린트하거나 플렉서블한 전자장치와 같이 저렴한 대면적 전자장치를 제조하기 위해서 개발됐다.
연구진은 광방출 유기 전계 효과 트랜지스터가 2003년에 처음 제안된 후에 많은 진보가 이뤄졌다고 보고했다. 이 분야의 연구는 비용 효율적인 방법을 사용해서 새로운 유기 포토닉스를 제조할 수 있게 되었으며, 이번 연구진은 광방출 유기 전계 효과 트랜지스터의 광 방출 효율과 휘도를 향상시키는데 크게 기여했다는 평가를 받았다. 또한, 추가적인 연구 결과를 통해서 새로운 디스플레이 기술을 개발하고 있다고 전했다.
연구진은 광발광 및 수광 트랜지스터를 결합시킨 장치에서 몇 가지 문제점을 발견했는데, 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 다학제간의 협력이 필요하다고 발표하며, 10년 후에 플라스틱으로만 만들어진 플렉서블 계산 장치가 출시될 것이라고 예상했다.

▲ 유기 반도체를 이용한 트랜지스터의 성능 향상 (사진. KISTI 미리안)

개발된 전기자동차들이 최근 추세에 부합하더라도 아직도 드라이브 엑셀은 무겁고, 비싸며, 크다. 이러한 문제를 개선하기 위해 프라운호퍼 실험실의 연구원들은 상업용 자동차에 최적인 축 모듈을 디자인하고 있다. 이 축 모듈은 강력하고 가벼우면서도 콤팩트해 비용에 효과적이다.
독일 연방 교육연구부가 지원중인 Chemnitz에 있는 프라운호퍼 기계 장비 및 성형 기술 IWU를 포함하는 전체 11개의 파트너들이 모터, 기어박스, 파워 전자제품들로 구성되는 전기자동차 용도의 엑셀 모듈을 개발하고 있다. 개발한 엑셀 모듈은 공유 하우징 내에 콤팩트하게 잘 맞으며, 이 프로젝트를 수행하는 과학자들이 개발한 특별한 프레임 구조물을 사용한다면 자동차에 장착도 가능하다. 또한, 프로젝트 연구원과 개발자들은 엑셀 모듈을 디자인하는 것뿐만 아니라 필요한 시리즈 생산 기술을 동시에 개발했다.
IWU는 전체 프로젝트에서 기술적인 지도뿐만 아니라 연구에서도 앞선 역할을 하고 있다. 연구원들은 “혁신적인 개념 덕분에 모듈을 제조하는데 소량이나 대량 생산에 있어서도 유연성이 있다”라고 밝히며, “시리즈 생산은 생산 경비를 20%까지 감소시켜 주기 때문에 경제적인 장점이 있다”고 전했다. 
엑셀 모듈의 유연성은 배치 크기에만 한정되지 않고 기하학적인 구조에도 확장이 가능하다. 모듈이 커질 수 있기 때문에 이 기술은 작은 밴이나 도시형 버스에서 트럭에 이르기까지 모든 곳에 사용할 수 있다는 강점이 있다.

▲ 전기 드라이브(사진. Pixabay)

Altaeros Energies사는 최근 새로운 종류의 풍력터빈(Wind Turbine)을 개발했다. 이 풍력터빈의 특징은 풍선처럼 하늘에 떠 있다는 것으로, 터빈의 개발자이자 회사 CEO인 Ben Glass는 “풍력터빈을 공중에 떠있게 하기 위해 풍선이나 비행선의 개념을 적용할 수 있는 방안을 고려했다”고 설명했다.
대부분의 풍력터빈 제조사들은 보다 많은 에너지를 이용하기 위해 150m 이상의 거대한 터빈을 경쟁하듯이 건설하고 있는데, Altaeros사가 개발한 BAT(Buoyant Airborne Turbine)의 경우에는 600m의 상공에 도달이 가능하다. 이 고도에서 풍속이 더 빨라지기 때문에 약 5~8배의 전력밀도를 얻을 수 있어, BAT는 타워에 고정되는 기존의 터빈 방식과 비교했을 때 약 2배의 에너지 확보가 가능하다.
BAT에 있어 중요한 기술은 새로운 공기역학 설계, 특별히 제작된 복합소재 및 혁신적인 제어 시스템이다. 헬륨을 이용해 부풀려지는 쉘(Shell)은 바람이 풍력터빈을 통과하도록 경로를 만든다. 스스로 안정화하며, 양력을 만드는 쉘은 다수의 고강도 안전선을 통해 BAT 설비를 고정시키고, 전도성을 가진 안전선으로 생산되는 전기를 이동식 지상국으로 이송하는 역할을 한다. 특히, BAT의 자동화된 제어 시스템은 안정적이면서 효율적인 운전을 가능하게 해주기 때문에 최적의 전기 생산을 위해 자동적으로 고도 조절이 가능하다. 첫 번째 BAT 모델은 크기가 약 15X15m에 달하며, 컨테이너로 수송되기 때문에 설치와 관련된 크레인이나 기초 공사를 필요로 하지 않는다.

▲ 부유식 풍력터빈(사진 KISTI 미리안)

미국 전기차 시장, 급성장세 지속

2014년 미국의 전기차 판매량은 11만 9,710대를 기록하며, 처음으로 연간 10만 대 판매량을 돌파했다. 폭발적 성장세를 지속함에 따라 2015년에는 총 등록대수가 100만 대에 이를 것으로 예상된다.
지난 2010년 1만 7,000대 수준에 머물던 미국 전기차 시장은 테슬라의 시장 돌풍과 정부의 지원정책에 힘입어 4년간 7배가 넘는 성장을 기록했으며, 전체 승용차 판매 대수에서의 비중 역시 빠르게 증가했다.

테슬라의 돌풍에 이은 닛산 리프의 선전

페이팔의 설립자 엘론 머스카가 지난 2004년에 창업한 테슬라는 충전의 불편함, 낮은 출력 등 기존 전기차의 단점을 상당부분 극복한 모델 SDML 출시(2012년) 이후, 미국 시장에서 선풍적 인기를 끌고 있다.
테슬라는 지난 2014년 6월, 보유한 전기차 관련 주요 특허를 모두 무료 공개하겠다고 발표하는 등 파격적인 행보를 이어가고 있으며, 시장의 반응도 긍정적이어서 2015년 1월 기준 테슬라의 시가총액은 약 260억 달러로 이는 미국 최대 자동차 메이커이자 생산대수 기준 테슬라의 약 550배인 GM사의 약 50%까지 육박하는 수준이다.
한편, 닛산의 소형 전기자동차 리프는 합리적인 가격수준(2만 달러대 초반)을 앞세워 판매대수 기준, 25% 이상의 시장점유율을 기록하며 시장을 주도하고 있다.

신차 출시 경쟁 및 정부 지원으로 시장 확대 지속 예상

미국 정부는 지난 2011년 오바마 대통령의 전기차 지원정책 발표 이후, 세계 전기차 시장에서 미국의 주도권을 지속 확대하기 위해 생산, 인프라 구축, 구매 등 분야별 지원을 강화하고 있다.
한편, 전기차 업계의 시설 투자 및 신차 출시 경쟁도 갈수록 치열해지고 있어 테슬라는 파나소닉과 합작해 총 50억 달러를 투자, 네바다 주에 리튬이온 배터리 생산 공장을 건설하고 있으며, 테슬라에 내장부품을 공급하는 Futuris Automotive 역시 인근에 축구장 세 개 크기의 대형 공장을 건설 중에 있다. 또한, SUV 모델인 모델 X를 오는 3분기에 출시할 예정이며, 3만 5,000달러대 보급형 세단인 모델 3를 오는 2017년에 판매 개시한다는 계획이다.
이에 맞서 아우디는 한번 충전으로 300마일(460㎞)을 주행할 수 있는 SUV 모델을 개발 중이며, GM 역시 테슬라의 모델 3에 대응하기 위해 1회 충전에 320㎞를 주행하는 3만 달러대 차세대 Chevy Volt를 오는 2017년에 출시키로 하고 디트로이트 오토쇼에서 컨셉트 카를 공개했다.

시사점

차세대 친환경 자동차인 전기차와 수소연료전기차 중 미국시장은 전기차 위주로 시장이 형성돼 가는 추세다. 2014년 미국내 순수 전기차 판매 대수는 중간 단계라 볼 수 있는 PHEV 판매대수를 처음으로 돌파했다.
하지만 높아지는 환경 규제가 시장진입 장벽으로 작용할 가능성도 간과해서는 안될 것이다. 최근의 유가하락이 변수로 작용할 수는 있으나 그 동안 탄소배출규제에 미온적이었던 미국 정부의 전기차 지원정책이 확대되고, 업계의 생산이 증가하면서 미국 자동차 산업내 환경규제 역시 강화될 것으로 예상되므로 이에 대한 대응을 해야 한다. 그러므로 전기차 시장 확대에 따른 협력이 가능한 배터리, 모터, 컨버터·인버터 등 전기차 핵심부품 기술, 무선 충전, 전기차 앱 등 관련 기술 분야와 충전 시설을 비롯한 친환경 자동차 인프라 구축 및 운영 시스템 등 전후방산업을 발굴해야 할 것이다.

파나소닉 솔루션 엑스포가 소피텔 호텔(Sofitel Hotel)에서 열렸다. 캄보디아 시장을 위한 회사의 모든 기술, 기업 소비자 간 거래(B2C) 제품, 기업간 거래(B2B) 솔루션이 집중된 최초의 대규모 전시이다. 엑스포는 소비자와 비즈니스 파트너에게 ‘더 나은 삶, 더 나은 세상’을 가져오기 위한 기업 브랜딩, 레지덴셜, 에너지 솔루션, 호텔, 교육, 스토어 등의 6개 체험관이 연결된다.

▲ 파나소닉 솔류션 엑스포 캄보디아 개막식(사진. 파나소닉)

에너지 효율적인 전력 변환용 고전압 IC의 선도업체인 파워 인테그레이션스(Power Integrations)는 LinkSwitch™-4 CV/CC PSR(1차측 레귤레이션) 스위처 IC 제품군을 발표했다.
LinkSwitch-4 제품군은 BJT(양극성 접합 트랜지스터) 스위치에 고급 적응형 베이스 - 이미터 스위칭 드라이브 구성을 사용해 전력 변환 효율을 크게 높이고 2차측 고장으로 인한 신뢰성 문제를 방지한다. 이 새로운 디바이스 제품군은 2016년 1월에 발효될 DoE(미국 에너지국)와 유럽 CoC(Code of Conduct)의 엄격한 새 효율 규제를 준수해야 하는 충전기 및 어댑터를 대상으로 개발됐다.
DoE-6으로 알려진 새 DoE 규제는 충전기 USB 케이블 끝에서 효율 준수 측정을 수행하도록 규정하고 있는데, LinkSwitch-4는 이러한 요구 사항을 손쉽게 충족하는 한편 복잡하지 않은 Schottky 2차 다이오드를 사용하므로 고전류 1.5A 및 2A 스마트폰 충전기에도 적합하다.
LinkSwitch-4 IC는 멀티 모드 PWM/PFM 컨트롤러와 유사 공진 스위칭 전략을 통합해 효율을 극대화하고 30㎽ 미만 무부하 조건을 충족하는 동시에 빠른 과도 응답을 유지한다. 최대 65kHz의 높은 작동 주파수로 트랜스포머 크기를 최소화할 수 있으며, 최소 피크 전류가 고정되어 과도 부하 응답이 향상된다. 이 디바이스는 트랜스포머 인덕턴스 오차, 입력 라인 전압 편차, 케이블 전압 강하, 외부 부품 온도 변동 등의 여러 요인을 보상한다. 또한 고유의 트리밍 기술을 사용하여 매우 정밀한 IC 파라미터 오차를 유지한다.

SK하이닉스가 도시바와 ‘나노 임프린트 리소그래피(Nano Imprint Lithography, NIL)’를 공동 개발하기로 하는 최종 계약을 맺었다. 양사 엔지니어들은 올 4월 일본 요코하마에 위치한 도시바 요코하마 공장(Yokohama Complex)에서 2017년 상용화를 목표로 기초 기술 개발에 착수할 예정으로, 이는 양사가 지난해 12월 체결한 양해각서(MOU)에 기반한 것이다.
도시바는 다수 장비 및 소재 기업과 NIL 개발에 협력하며 협력사의 기술과 도시바의 반도체 제조 공정을 통합해 왔다. 새로 발표된 SK하이닉스와의 공동 개발 프로그램은 상용화 과정에 속도를 붙이는 한편 도시바의 NIL 개발 투자 부담을 덜어줄 전망이다.
NIL은 미래 세대 메모리 장치로의 전환을 앞당기기 위한 후보 기술 중 하나다. 현재의 주류 공정 기술인 포토리소그래피는 반도체 웨이퍼 상의 감광 코팅에 레이저와 감광성 마스크를 사용해 회로를 형성한다. NIL은 웨이퍼 위에 패턴화된 탬플릿을 찍음으로써 회로 설계를 직접 새긴다. 이로써 보다 정밀한 설계가 가능해질 것으로 기대된다.

▲ 나노임프린트 리소그래피 공정흐름도(사진. 한국과학기술정보연구원)

앞으로는 국내에서도 직류 개폐장치에 대한 성능확인시험이 가능해져 직류 전력기기의 국산개발이 더욱 활성화 될 것으로 기대된다.
한국전기연구원 전기기기평가본부는 저압 직류 전력기기 성능평가시스템을 안산과 의왕분원에 구축해 가동하고 있다고 전했다. 이 설비는 전력기반조성사업센터의 에너지연구기반구축사업으로 구축됐다. 직류 2.5kA 과전류 특성시험설비, 직류 13kA 순시전류 특성시험설비, 직류 2.5kA 온도상승시험설비, 직류 600V 1kA 부하개폐시험설비, 직류 800V 2kA 부하개폐시험설비, 직류 300V 10kA 단락시험설비(상용전원 이용) 및 직류 800V 70kA 단락시험설비(단락발전기 이용) 등으로 구성돼 있다.
단락시험설비는 설비이용료가 상대적으로 높은 편이다. 한국전기연구원(KERI)은 국내 중소기업에서 개발한 저압 직류 보호기기의 신제품에 대한 성능평가 비용부담을 줄이기 위해 단락시험설비를 상용전원을 이용한 소용량 설비(안산분원)와 단락발전기를 이용한 대용량설비(의왕분원)로 이원화해 운영하고 있다.
그동안 국내에는 저압 직류 개폐장치의 형식시험에 필요한 직류 시험설비가 없었다. 이로 인해 성능검증 없이 제조회사가 참고정격으로 표기한 제품이 판매되는 상황이었는데, 이번 사업의 결과로 앞으로 국내에서도 직류 개폐장치에 대한 성능확인시험이 가능해졌다. 또한, 동 설비의 구축으로 태양광 등 신재생 전원 분야, 전기자동차 분야 및 직류배전 분야에서 사용되는 직류 전력기기의 국산개발이 더욱 활성화 될 것으로 기대된다.

▲ 한국전기연구원 의왕분원의 DC단락설비(사진. 한국전기연구원)