비스무스 텔루라이드 결정계면에서 생성되는 전자 모식도(왼쪽 결정립과 오른쪽 결정립계면에서 전자형성)

열전 반도체는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 바꾸거나, 전기로 소재를 직접 냉각하는 전자냉각 시스템(소형냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등)에 사용되고 있으며, 최근 IoT 소자와 웨어러블 기기의 전력원으로 크게 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 소재의 구조 제어만으로 열전 반도체의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 백승협, 김진상 박사 공동연구팀(제1저자 김광천 연구원, 박사과정)은 대표적인 열전 반도체인 비스무스 텔루라이드 소재의 성능을 좌우하는 전자 농도를 외부 불순물을 첨가하지 않고 소재의 미세구조 조절로 가능하다는 새로운 물리현상을 발견했다고 밝혔다.

열전 반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 열전 반도체에서 전자의 농도는 통상적으로 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용되어 왔다. 이에 반해, 본 연구는 소재 내 구조 결함을 이용하여 전하의 농도를 제어하는 새로운 방법을 제시하고 있다.

열전소재 내 배향이 서로 다른 두 개의 결정입자가 서로 만났을 때 형성되는 결정계면에서는 결정입자 내부에서 유지되고 있던 원자결합 규칙이 깨지게 되므로, 원자들은 원래 있어야 할 위치에서 미세하게 벗어나게 된다. 계면에서 일어나는 원자 결합구조의 변화로 인해서 본래 재료에는 존재하지 않는 새로운 특성이 발현된다.

본 연구진은 비스무스 텔루라이드 열전반도체에 존재하는 결정립 계면에서 자유전자가 생성된다는 사실을 발견하고 이에 대한 물리적 원인을 제시했다. 금속유기화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 결정계면의 농도가 서로 다른 비스무스 텔루라이드 박막을 성장시키고, 결정계면의 농도에 비례하여 자유전자 농도가 증가하는 것을 관찰했다. 또한 실험뿐 아니라 계산을 통해서 계면에 존재하는 원자들의 위치 변화가 소재의 전자구조를 변화시켜 자유전자를 생성할 수 있음을 이론적으로 증명했다.

본 기술은 불순물 도핑을 통하여 단결정 형태로 생산되어오던 기존 비스무스 텔루라이드 열전소재를 도핑이 필요치 않는 다결정 형태로 제조가 가능함을 의미하며, 이는 생산에 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다.

전기에너지 특허 및 시장정보

LED 조명용 방열 인쇄회로기판 특허 증가

CIGS 박막 태양전지 기술동향 및 주요 부품소재 시장전망

CIGS(CuInGaSe2) 태양전지는 종래 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지로 주목받아 왔다.

그러나 자국 정부의 막대한 지원에 힘입은 중국 업체들의 대규모 증설과 신규 시장 참입으로 공급과잉이 발발했으며, 이는 실리콘 태양전지 전체 벨류체인에 걸쳐 가격이 하락하는 결과를 야기했다.

그 결과, 2012년을 기점으로 CIGS의 모듈 가격이 c-Si를 앞서는 역전 현상이 발생했으며 향후 공급과잉 현상이 해소되는 시점까지는 가격 역전 현상은 지속할 것으로 판단된다.

CIGS의 대표적 장점인 ‘가격경쟁력’이 사라지면서 일부는 파산 혹은 사업부를 철회하였고, 일부는 인수&합병되는 상황에 이르렀다.

현재 상황만을 놓고 평가한다면 CIGS 시장은 다소 위축될 것으로 예상한다. 그러나 몇 가지 플러스 요인을 염두에 두고 시장을 재평가한다면, 향후에도 평균 20%를 웃도는 성장세를 보일 것으로 전망된다. 성장세를 이끄는 플러스 요인은 타 박막 태양전지와의 비교, 분석을 통해 유추해 볼 수 있다.

첫 번째. CdTe 태양전지의 경우, 독성물질로 분류되는 Cd(카드뮴)으로 인해 일부 국가에서는 설치가 제한되어 있다는 점이다. 이러한 제약은 효율 및 가격이 비슷한 CIGS에게 유리한 기회로 작용할 수 있다는 분석이다.

두 번째. DSSC 및 OPV 상용화의 지연이다. 효율적 측면에서는 CIGS와 비교해 다소 성능이 뒤처지는 것은 사실이나 투명성 및 유연성의 장점으로 인해 니치마켓 (모바일 충전지, Portable Charger 등)의 수요에 대응할 수 있는 제품이다. 그러나 안정성 및 신뢰성의 문제로 상용화가 지연되고 있는 상황이며 이는 곧 Flexible CIGS에 기회로 작용할 것이란 분석이다.

또한 현재의 결정질 실리콘 태양전지 공급과잉 현상이 완화되면, CIGS와의 가격 격차를 좁혀 다시금 가격경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망된다. 위 분석내용을 바탕으로 2015년 CIGS 박막 태양전지의 생산량은 3GW를 우회할 것으로 전망되며 시장 규모는 32억USD에 이를 것으로 예상한다. <자료: SNS리서치>

전고체 리튬이차전지의 기술 동향 및 상용화 전망

현재 사용하고 있는 고용량/고출력/대용량 리튬이온전지는 이온전도성이 우수한 유기계 액체 전해액을 사용하기 때문에 휘발성이 높은 유기용매의 사용에 따른 전지의 안전성, 내구성, 신뢰성에 대한 문제점을 항상 내포하고 있다.

일례로 일본의 Sony사의 경우, 2006년 오사카 학회장에서의 자사 배터리가 채용된 DELL 노트북의 발화사건 이후 대량 리콜사태를 맞으면서 DELL 컴퓨터사와 함께 회사가 심각한 경영위기를 맞기도 했다.

따라서, 리튬이온전지의 안전성 확보를 위해, 액체 전해질 대신 고체전해질을 이용한 전고체 전지(All-Solid-State Battery)에 대한 연구가 진행됐으며, 향후 차세대 전지로서 입지를 다지고 있다. 고체 전해질을 사용하면 앞서 언급한 안전성뿐만 아니라 이론적으로는 고에너지 밀도, 고출력 밀도, 장수명 등 전지의 성능관점에서도 유리하고 제조공정의 단순화, 전지의 대형화/조밀화 및 저가화 등의 경제성 관점에서도 유리한 것으로 알려졌다.

일반적으로 리튬이차전지의 안전은 ‘액체전해질<고분자(겔)전해질<고체전해질’ 순서로 향상되지만, 이에 반해 이차전지의 성능은 사용된 전해질의 이온전도성 순으로 낮아지며, 이 때문에 전해질의 낮은 이온전도성은 전고체전지의 상용화에서 가장 큰 걸림돌로 작용해 왔다.

현재까지 보고된 많은 고체 전해질의 경우 상온에서 이온전도도가 10-5S/cm 이하로 향후 액체전해질에서의 이온전도도 수준(10-3S/cm 이상)에 근접한 고체전해질 소재 개발이 필요하며, 양음극 전극과 고체전해질의 계면저항, 그리고 전지 내의 분극저항을 줄일 수 있는 기술을 개발하는데 초점이 맞추어져 연구 개발이 진행 중이다.

전고체 리튬이차전지의 상용화를 위해 극복해야 할 많은 문제가 산재해 있어 상용화는 다소 시일이 걸릴 것으로 전망이 예상되고 있지만, 최근 자동차 제조임에도 불구하고 차세대 전지를 가장 활발히 연구하고 있는 도요타는 2013년 3월에 2020년까지 전고체 전지와 리튬-공기전지를 적용한 PEV(Plug-In Vehicles, PHEV & BEV)를 선보일 계획이라고 발표하였다.

이처럼 최근 고체전해질 재료의 급속한 발전과 3차원 전극구조의 개발 등 상용화에 걸림돌이 되고 있는 문제점들을 해결하려는 많은 기업의 연구개발 노력이 시도되고 있어 향후 좋은 결과가 있을 것으로 기대된다. <자료: SNS리서치>

특허청, 리튬이차전지 특허 동향 발표

리튬이차전지는 1991년 처음 시장에 나온 이후 휴대용 전자기기(IT)의 이동용 전원으로서 매년 10% 이상의 성장을 기록하고 있으며 xEV로 표현되는 차세대 전기자동차(HEV, PHEV, EV) 및 지능형 전력망에 이용되는 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System) 산업을 활성화 시킬 것으로 기대되는 가운데, 리튬이차전지는 이러한 차세대 기술을 구현하기 위한 핵심 부품으로 그 시장은 나날이 팽창하고 있다.

리튬이차전지 기술은 양극(Cathode), 음극(Anode), 전해질(Electrolyte), 분리막(Separator)으로 구성되는 4대 핵심 소재와 전지를 구성하기 위한 부품 및 전지관리시스템(BMS, Battery Management System)의 기술로 구분된다.

특허청(청장 김영민)의 자료에 의하면, 최근 10년간 리튬이차전지 관련 국내 출원건수는 6,318건이며 이중 국내 출원인은 4,400건으로 69.6%를 차지하고 나머지 1,918건(30.4%)은 국외 출원인이 출원한 건으로써, 최근 10년간 연평균 10.2%의 증가율로 꾸준히 출원되고 있는 것으로 파악됐다.

세부적인 기술분야별 출원비율을 살펴보면, 리튬이차전지에서 가장 많은 재료비를 차지하고 있는 양극에 관련된 기술이 2,141건으로 33.9%의 비중으로 가장 높았으며 음극은 19.1%, 전해질 14.2%, 분리막 12.3%의 비중을 차지하고 있고 전지제조기술 분야도 14.8%의 비중을 차지하고 있다.

국내 출원 건의 다출원 기업을 살펴보면 LG화학, 삼성SDI 순으로 45.5% 이상을 점유하고 있으며 그 뒤로는 파나소닉/산요(합병), 소니, 도요타 순으로 조사되었다. 특히 리튬이차전지의 핵심 소재 부품을 생산하는 국내 중소 소재업체(한국전지산업협회 23개 회원사)는 3.0%를 점유(업체당 0.7편/년 출원)하고 있어 상대적으로 국내 중소 소재업체의 IP(지식재산)에 대한 경쟁력이 매우 취약한 것으로 분석되고 있다.

지금까지 국내 리튬이차전지 산업은 일본을 따라잡기 위해 노력하여 독보적이던 일본의 시장 지배력을 약화시켜 왔지만, 향후에는 풍부한 저가의 원재료를 바탕으로 급속도로 성장하고 있는 중국기업과의 경쟁이 심화할 것으로 예상한다. 특히 중소 소재기업의 기술 수준이 향상되어야만 완제품 전지의 경쟁력도 높아질 수 있는 만큼, 중소 소재기업의 연구개발 지원을 위한 정부 및 대기업의 관심과 투자가 필요하다.

<출처: 특허청>

2020년 신재생 자원 용량 약 2,250기가와트 전망

지난 10년간 우리는 신재생 에너지 시장과 관련 규제들이 괄목할만한 발전을 이루어냈다는 사실을 눈으로 확인할 수 있었다. 지난 10년 중 초기에는 세계 전체 국가 중에 50개 미만의 국가들만이 신재생 지원 정책들을 가지고 있었지만, 현재는 120여 개국에 달한다. 이 같은 현상과 비례하여 신재생 분야 투자 역시 급격히 늘어났다.

최근 프로스트 앤 설리번이 발표한 ‘2013 신재생 에너지 전망 연간 보고서’는 최근 10년 동안 전력 발전용 신재생 에너지 시장에 핵심 글로벌 트렌드로 무엇이 있는지, 세계 신재생 에너지 발전의 성장은 앞으로 어떻게 예측되고 있는지에 대해 말하고 있다.

이 보고서에 따르면 신재생 에너지가 기대 이상의 목표를 달성할 수 있었던 것은 정치적으로나 재정적으로의 지원이 있었기 때문이며, 이의 역할이 매우 컸다고 밝혔다. 이와 같은 지원들은 앞으로도 시장에 주요한 영향을 미칠 것이고 2020년 신재생 자원의 용량은 약 2,252.3기가와트(Gigawatts)에 달할 것으로 전망했다.

유럽 신재생 에너지 시장은 세계적인 경기 침체에 예측하기 어려운 변화들에도 비교적 별다른 영향을 받진 않았지만, 투자가 많이 감소하고 있다는 것을 느끼기 시작했다. 이는 시장 지배력이 신흥 경제국들로 점차 변화해가는 확실한 징후로 보인다. 이 국가들의 경제 개발과 수정된 에너지 우선순위들에 힘입어 풍력이나 태양광, 바이오 연료 발전 기술의 도입을 꾸준히 늘려나갈 것으로 보인다.

도시화와 인구 증가, 에너지 보안에 대한 우려의 목소리가 아시아나 남미, 중동, 아프리카와 같은 신흥 지역들의 신재생 에너지 용량을 늘리는 핵심 요인들로 꼽히고 있다. 개발도상국에서 신에너지 자원의 활용도를 더욱 높이는 데는 화석 연료의 의존도를 낮출 수 있는 다양한 방안들을 고안해야 하고 신재생 에너지 가격이 큰 폭으로 내려야 한다.

당분간 공동 신재생 에너지 전략은 중국, 인도, 브라질에서 나타날 것이며 다른 신흥 시장에서는 전보다 좀 더 체계적인 방식으로 신재생 에너지들이 장려되고 있다. 선진국들, 특히 일본은 원자력에서 신재생 에너지에 크게 주력하는 지각 변동이 일어나고 있다.

<출처: 프로스트 앤 설리번 인터내셔널>

2020년 LED 시스템 조명 시장 55Billion 전망

LED 조명은 에너지 산업이라는 관점에서 세계 각국의 지원 및 법제화를 통해 시장이 본격적으로 형성되는 단계에 와 있다.

LED 시스템 조명은 IT기술과 LED 조명과의 결합을 통해 획기적 에너지 절감이 가능하고 인간중심, 친환경 그리고 사용자 요구 환경에 부합되는 Contents가 내장된 다기능 솔루션을 사용자 요구사항에 맞추어 실시간으로 제공하는 산업 간, 기술 융합형 시스템화된 차세대 조명이라고 할 수 있다.

이러한 것을 바탕으로 LED 시스템 조명은 LED 조명이 주는 에너지 절감 효과를 더욱 크게 해주고 더 나아가 인간의 감성과 반응하는 효과를 줄 수 있기 때문에 조명의 패러다임 변화를 가져오는 신조명 시대를 여는 기술이라고 할 수 있다.

통상적으로 LED 조명을 시스템 조명으로 전환하면 지능형 통합 관리, 센서 연동, 맞춤형 상황 관리 등을 통하여 추가로 50% 이상의 절전이 가능하다.

이에 따라 LED 시스템 조명은 먼저 상업용 건물을 중심으로 시장이 형성되고 이어서 산업용, Outdoor, 주거용 등으로 확산할 것으로 전망된다.

LED 시스템 조명은 2013년~2015년은 시장형성기로 판단되고 2016년 이후 급성장을 할 것으로 전망된다. 2020년까지의 각 부문 별 침투율 전망을 하였다. 정부정책 및 증가하는 전기료 등을 감안하면 산업용 분야가 가장 많이 증가하여 2020년 산업용 LED 조명 판매량의 약 18% 선까지 증가할 것으로 전망된다.

이어서 상업용도 현재 Lighting Control 중 EMS 기능이 설치된 비율(미국 내 건물 중 18%) 부근까지는 침투할 것으로 전망한다. 이러한 부분은 상업용 빌딩에 대한 각국의 정책, 법적 규제 등에 따라 보다 가속화될 수도 있다. 특히, 건물에너지관리시스템(BEMS)과 연계되어 성장이 가속할 것으로 전망된다.

LED 시스템 조명의 시장은 2013년을 기점으로 형성되기 시작하여 2015년부터는 급성장을 할 것으로 전망된다. 금액으로는 2012년 93백만$에서 2020년 55,075백만$으로 연평균 92.4%의 고성장할 것으로 예상한다.

<출처: 특허청>

LED 조명용 방열 인쇄회로기판 특허 증가

원전 가동 중지와 무더위로 전력 위기가 고조되는 가운데 절전제품인 LED 조명이 각광받고 있다. 이와 더불어 LED 조명의 효율을 높이는데 사용되는 ‘방열 인쇄회로기판(방열 PBC, 방열 Printed Circuit Board)’의 특허 출원도 함께 증가하고 있다.

LED 조명은 다른 조명에 비해 전력 소비가 적고 친환경적이다. 방열 PCB는 LED 조명의 주요 부품으로, 발생하는 열을 효과적으로 내보내 LED 조명의 수명과 효율을 높이는 기능을 한다.

특허청(청장 김영민)에 따르면, LED 조명용 방열 PCB에 관한 특허출원건수는 2008년 이후 꾸준히 증가하고 있다. 특히 2008년 19건에 불과하던 것이 2009년부터는 매년 38-55건 내외로 2008년 대비 100-189% 늘어난 것으로 나타났다.

실제로 방열에 따른 LED 조명의 수명 및 효율 향상 효과는 크다. LED 조명의 연구 사례에 의하면 “LED 조명의 온도가 약 10도 낮아지는 경우 예상 수명은 약 57%, 효율은 약 14% 늘어난다”고 한다.

최근 출원되고 있는 방열 PCB 기술은 단순히 열이 잘 전달되는 재료를 선택하던 방식에서 벗어나 LED 조명의 구조를 개선하는 방식으로 발전하고 있다.

출원량에서도 인쇄회로기판의 방열홀, 리드 프레임, 적층 방식 등 구조나 형상 개선 기술이 67%로 대다수를 차지하고 세라믹, 금속, 나노소자 등 신소재 적용이 31%를 차지하고 있다.

2008년 이후 특허 출원인별 비중을 살펴보면, 개인을 포함한 국내 중소기업이 출원량의 59%를 차지하며 기술개발에 적극적으로 나서고 있는 것으로 나타났다.

중소기업의 특허출원이 활발한 이유는 LED 조명분야가 중소기업의 관심이 높고 2011년에 중소기업 적합업종으로 선정되는 등 LED 조명 산업의 환경 변화에 따른 결과로 파악된다.

특허청 관계자는 “LED 조명이 널리 보급될수록 이에 사용되는 방열 인쇄회로기판의 사용과 관련된 기술 개발과 특허 출원이 계속될 것”이라고 전망했다.

<출처: 특허청>