에너지 환산단위, 제대로 알고 사용해야

우리나라에 전기가 들어온 것은 불과 100년 전의 일이지만 근대화작업이 촉진되면서 전기의 이용은 급격히 증가하여 이제는 전기 없이는 생활을 꾸려갈 수 없을 정도로 우리 생활과 밀접해졌다.

1961년 우리나라의 연간 전력소비량은 11억kWh이었으나 1980년에는 327억kWh로 늘어났으며 10년 뒤인 1991년에는 다시 1,044kWh로 증가하였다. 1991년의 우리나라 전력소비량을 용도별로 1980년과 비교해 보면 주택용 소비전력은 총 소비량의 6.8%이던 것이 1991년에는 18.7%로 증가했다.

공공서비스 전력도 5.7%에서 18.9%로 증가한 반면 생산부분의 소비전력은 87.5%에서 62.4%로 크게 떨어지고 있어 우리의 주거생활과 공공서비스분야의 전력소비가 상대적으로 증가추세에 있음을 알 수 있다.

에너지단위 환산

미국인들이 일상적으로 쓰는 단위 가운데는 한국을 포함한 세계 다수국가에서 통용되는 미터법과 다른 것이 적지 않다. 길이는 m와 cm 대신 ft와 in로, 질량은 kg 대신 lb(파운드)로, 온도는 ℃ 대신 ℉로, 부피는 m3나 l 대신 gal(갤런)이나 bbl(배럴)로 나타낸다. 가령 170cm는 몇 ft, 몇 in이고 130lb는 몇 kg인지 단위가 바뀔 때면 환산을 해야 한다.

이와 비슷하게 에너지의 단위도 다양하여 단위가 바뀔 때면 수량을 환산해야 한다. 대표적인 에너지의 단위로 J(줄)은 1N(뉴톤)의 힘으로 1m를 움직인 일의 양이고, cal는 물 1g의 온도를 1℃만큼 데우는 열량으로 1cal= 약 4.2J이다. 또 미국에서 통용되는 Btu(영국 열량단위)는 물 1lb의 온도를 1℉만큼 데우는 열량으로 1Btu= 252cal이다.

위에서 예를 든 것처럼 길이, 부피, 질량, 온도, 열량 등의 단위환산은 단순한 산술적 계산으로써 어느 자료를 찾아 보아도 아래와 같이 일정하다.

그러나 에너지량을 원유, 석탄, 천연가스 등 자원의 수량으로 나타내는 경우에는 사정이 다르다. 특히 화석연료는 화학적으로 다양한 물질의 혼합물로서 산지에 따라 그 물성 즉 조성, 비중, 발열량 등이 다르기 때문에 각종 에너지량을 함께 다룰 때에는 그 기준값을 정해주어야 한다. 예컨대 원유 1톤은 부피로 몇 Bbl이 되는지는 그 비중에 따라, 또 석탄 몇 톤이나 천연가스 몇 m3와 같은지는 각각의 발열량에 따라 달라진다. 그런데 이 기준값은 통일된 것이 없고 기관과 자료마다 약간씩 달라서 혼선을 일으킬 수 있다.

한편 우리정부는 원유를 비롯한 각종연료의 기준 발열량 등을 연료 및 열의 석유환산기준이란 제목으로 고시한다. ’90년 고시에는 발열량이 원유 10,000kcal/kg, 경유 9,200kcal/l, 프로판 12,000kcal/kg, 천연가스 10,500kcal/Nm3(또는 13,000kg/kg), 무연탄 4,500kcal/kg, 유연탄 6,600kcal/kg로 되고, 따라서 석유환산계수는 각각 원유 1.00kg/kg, 경유 0.92kg/l, 프로판 1.20kg/kg, 천연가스 1.05kg/Nm3(또는 1.30kg/kg), 무연탄 0.45kg/kg, 유연탄 0.66kg/kg으로 정해졌다.

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 TV나 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 절감및 에너지 효율에 대한 니즈 증가 등으로 빠른 성장을 할 것으로 예상된다.

OLED는, 무기 발광소재를 사용하는 LED와 달리 유기 발광소재를 사용하며 향후 응용 분야가 소형 디스플레이 뿐만 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 유기금속 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 갖는봉지재에 그라스울이나 흄드 실리카 등을 넣고 내부를 진공으로 처리한 제품으로 기존 단열재에 비해 최고 10배의 단열 효과가 있는것으로 알려져 있다.

한편 도심내에 열섬 현상으로 에너지 소비가 가중되는 문제를 해결하기 위해 차열 도료가 주목을 받고 있다. 차열도료의 주요 원리는도료가 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.