Mike Arnold가 태양 에너지에 관한 구성을 떠올렸을 때, 그는 지구를 지속해서 비추는 수십, 수백, 수억 와트 이상의 큰 그림을 떠올렸다. 그는 또한 10억 분의 1미터 두께의 탄소를 기반으로 한 나노물질이 태양 전지를 이용하면, 전기를 생성하는 비용을 극적으로 줄일 수 있지 않으냐는 생각을 하게 되었다. 메디슨 위스콘신 대학(UW) 재료 과학 및 공학부 조교수인 Arnold는 광발전(photovoltaic, PV) 태양 전지나, 에너지 저장, 그리고 반도체 전자 등과 같은 첨단 전자 물질 연구에 중점을 둔 연구를 하고 있다. PV 에너지의 비용을 낮출 수 있는 물질을 개발하는 것이 연구진의 열정이자, 목표이다. “우리 모두 태양 에너지의 긍정적인 면을 잘 알고 있다. 풍부한 햇빛과 더불어, 오염물을 배출하지 않으면서도, 구동 부품이 필요 없고, 소음이 없으며, 더욱이 쉬운 수송까지 태양 에너지는 많은 장점을 지니고 있다. 그럼에도 불구하고, 사람들은 아마 석탄 발전소는 여전히 있음에도, 왜 태양 전지 패널은 각 가정의 지붕에 설치되어 있지 않은가에 대한 의문을 품을 것이다. 답은 당연히 ‘비용’이다. 비록 태양 에너지의 생산 비용이 지난 몇십 년간 꾸준히 떨어졌지만, 아직도 광전지 에너지가 경제적으로 경쟁 가능한 시점에는 도달하지 못했다”고 Arnold가 설명했다.

광전지 에너지는 광자(또는 태양으로부터 오는 빛의 다발)가 거의 9천3백만 마일의 속도로 지구로 이동하면서, 태양 전지와 부딪힐 때 만들어진다. 태양 전지 내의 반도체 물질이 햇빛을 흡수할 때, 전하가 생성된다. 그리고 태양 전지는 전하를 분리하여, 그것의 포지티브 성분은 태양 전지의 한쪽으로 가고, 그것의 네거티브 성분은 다른 쪽으로 가서, 전류를 생성한다. 이러한 태양 전지는 모듈로 분류되고, 이러한 모듈은 우리가 지붕이나 태양 필드에 흔히 볼 수 있는 패널로 분류되는 것이다. “실리콘 태양 전지의 25% 효율성은 꽤 훌륭한 것이다. 원자재로서의 실리콘 가격과 그것의 공정 비용은 PV의 가격을 쉽게 내리지 못하는 이유이기도 하다. 우리에게 필요한 것은 같은 효율성을 지니면서도, 가격이 훨씬 저렴한 전지를 만드는 것”이라고 Arnold가 말했다.

박막 태양 전지와 같이 일부 “제2세대”를 대체하는 PV 물질은 산업체에 의해 연구되고, 심지어 상용화되었다. 그러나 태양 에너지 가격은 이러한 기술에도 불구하고, 여전히 높다. 대부분 PV 연구에서 집중하는 것은 Arnold의 실험실에서 연구하는 것과 같은 “제3세대” 나노물질이다. “나노, Nano”는 이러한 물질의 매우 작은 크기를 의미하며, 나노미터는 10억 분의 1미터이다. Arnold의 접근 방법은 매우 저렴한 물질로 시작했다. 원칙적으로, 이것은 태양 전지로 만들어질 수 있기 때문에, 연구진은 이들이 작동하는 방법을 고안해야 한다. 현재, Arnold의 연구진은 그래핀과 탄소 나노튜브라고 불리는 탄소 기반의 나노물질에 집중하고 있다. 이러한 나노물질은 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD)이라는 과정을 이용하여, 실험실에서 합성될 수 있으며, 이를 통하여, 탄화수소(메탄(CH4)와 에틸렌(C2H4)같은 가스)은 순수한 탄소로 전환된다.

그래핀 제조에서, 탄화수소는 편평한 기판 상에서 서로 반응하여, 부산물로 수소가스(H2)를 발하고, 기판 위에 그래핀(순수한 C)을 형성한다. 이러한 방식으로, 대형 기판은 지속해서 원자적으로 얇은 그래핀 판으로 코팅된다. 탄소 나노튜브를 생성하기 위하여, 탄화수소 반응은 편평한 기판보다는 실린더를 형성하는 구형의 나노입자 끝에서 일어난다. 결국에는 분자로 전혀 구성되지 않고, 오직 단일 원자 층으로 구축되는 나노물질이 탄생한다. “이들 물질은 당신이 상상할 수 있는 만큼 매우 얇으며, 어떠한 것도 이보다 얇게 만들 수는 없을 것이다. 과학계가 종종 이들 물질을 “2D”라고 일컫는 것을 우리는 쉽게 이해할 수 있다”고 Arnold가 설명했다. “우리가 이 단일 원자층을 그래핀과 탄소 나노튜브에 적용했을 때, 우리는 그것들이 이제껏 발견했던 것보다 훨씬 더 훌륭한 전기 도체 중 일부이며, 그들이 가진 전기적 속성이 훨씬 제어하기 쉽다는 것을 발견했다. 그들은 강력한 빛 흡수체이며, 상대적 안정성과 합성의 용이성, 그리고 저렴하다는 장점을 지니고 있다. 또한, 탄소는 매우 풍부하다”고 그는 말했다.

Arnold의 연구진은 현재 그래핀 판과 탄소 나노튜브 모두를 태양 전지에 사용하는 방안을 연구 중이다. 하나의 프로젝트를 든다면, 연구진은 다양한 지름을 가지고, 다양한 파장의 빛을 흡수하는 탄소 나노튜브를 만들고 있다. 태양 전지에서, 이들의 여러 넓이는 전체적인 빛 흡수를 강화하는 데 도움을 줄 것이다. “우리는 무지개의 모든 색깔뿐 아니라, 우리가 볼 수 없는 스펙트럼의 색들, 그리고 나노튜브의 지름을 다양화시킴으로써, 잠재적으로 좀 더 많은 빛을 활용하고자 한다”고 Arnold가 설명한다. Arnold는 탄소 기반 나노물질의 잠재력을 활용할 방안을 연구하고 있다. 연구진은 태양의 엄청난 힘을 저렴한 비용으로 활용하고, 그것을 태양 에너지로 변환하는 연구에 몰두할 계획이다. “우리는 그들의 속성을 이해하기 위해 노력하고 있으며, 수많은 방법으로, 실제 태양 전지를 활용하고자 한다. 우리는 이러한 연구가 모든 가정의 지붕에 태양 전지 패널을 볼 수 있는 날을 앞당길 수 있으리라 희망한다”고 그는 말했다. 

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

전기에너지 특허 및 시장정보

6인치 기판 LED칩 제조원가, 2015년부터 4인치 앞설 것

2016년 리튬이온 이차전지 음극재 9천억 시장규모

2012년 음극재 시장 규모는 5천6백억원 규모로 집계되었다. 출하 기준으로 볼 때 43,012톤을 전 세계적으로 출하된 것으로 전망되었다. 리튬이차전지 성장과 더불어 음극재 연평균 성장률(2011~2016년)은 인조흑연(Artificial Graphite, AG)의 경우 20.4%로 전망되며, 천연흑연(Natural Graphite, NG)은 16.9%의 성장이 기대된다. 2016년 음극재 시장은 한화 약 9천억원 시장규모에 이를 것으로 전망하고 있다.

애초 전망과 다르게 xEV/ESS의 성장의 매우 더디게 성장하고 있지만 IT에 사용되는 원통형, 각형, 폴리머(파우치) 전지의 용량이 증대되면서 음극재에 요구되는 수요 역시 증가하고 있는 것을 보여주는 수치이다.

2016년까지 리튬이차전지의 시장은 IT Application 중심으로 시장이 성장하게 될 것이며 전체 리튬이온 이차전지시장의 66.1%를 차지할 것으로 보인다. 최근 들어 스마트폰에 요구되는 배터리 용량 3,000mAh 이상으로 증가하고 Tablet, Ultra PC 등이 4,000mA 이상의 대용량 리튬폴리머 전지를 사용하면서 요구되는 음극재 수요 역시 많이 증가하고 있다. <출처: SNS리서치>

전기자동차용 LIB 기술 이슈 및 시장 전망 (2011~2020)

현재 전기자동차용으로 채용 중인 배터리의 에너지밀도, 가격, 안전성, 저온 성능, 장기신뢰성과 같은 이슈가 있다. 이러한 이슈 문제들을 해결하기 위한 솔루션으로 어떠한 기술들이 개발되고 적용되고 있을까.

전기자동차용 배터리 시장을 살펴보면, 전기자동차 시장은 2011년 91만대에서 2020년에는 1,857대까지 전망되는 가운데 채용되는 전기자동차용 배터리 시장은 2011년 1.4GWh(2.6 Bil.$)서 2020년에는 84.1GWh(28.8 Bil.$)까지 성장할 것으로 기대되고 있다. 지금까지 Toyota의 HEV에 채용되는 Ni-MH가 전기자동차용 배터리 시장을 주도해 왔으나, 배터리 용량이 기존 HEV보다 20배 내외가 더 큰 PHEV 및 BEV의 판매량이 점진적으로 증가하고 경쟁사들의 차별화 전략으로 LIB가 채용된 전기자동차 라인업이 급속히 확대되면서 LIB 시장 점유율은 2011년 56.4%에서 2020년에는 91.8%까지 증가할 것으로 전망된다.

비록 PHEV 및 BEV는 HEV에 비해 판매량이 현저히 적지만 배터리 용량이 수십 배 크면서 이들 PHEV 및 BEV가 향후 전기자동차용 배터리 시장을 이끌어 갈 것으로 예상한다. <출처: SNS리서치>

고효율 결정질 Si 태양전지 기술 및 시장전망

전통적으로 대표격인 고효율 결정질 태양전지는 Sunpower의 IBC(Interdigitated Back Contact)와 Sanyo의 HIT(Hetero-junction with Intrinsic Thin-film)이 있으며 이들은 일반 결정질 태양전지에 비해 효율이 3~4% 이상 월등히 높지만 고가의 공정 기술 및 웨이퍼(n-type)가 필요해 가격이 40% 이상 비싸, 최근과 같이 저가격으로 형성된 태양광 시장에서 큰 호응을 얻기가 쉽지 않은 상황이다.

이러한 상황을 발판삼아 2011년 전후로 중국 업체들이 ‘China Brand’ 이미지를 높이고 시장 점유율을 확대하기 위해서 저가의 공정 기술 및 웨이퍼(p-type, multi-crystalline) 적용이 가능한 Selective Emitter, MWT (Metallization Wrap-through), EWT(Emitter Wrap-through), Bifacial 등으로 관심을 돌려 활발하게 기술 개발을 진행 중이다.

Selective Emitter의 경우 China Sunergy가 2007년부터 기존 양산라인을 호환하면서 소량 양산하고 있었으며, MWT는 Photovoltech가 2003년부터 Pilot Line을 기반으로 소량으로 제작해왔다. 이후 2010년 Suntech의 Pluto Cell(Selective Emitter)과 Yingli의 Bifacial 셀이 시장에 진출하고 2011년에는 Canadian Solar의 MWT도 상업화되면서 2010년~2011년 사이 고효율 태양전지의 폭발적인 성장이 진행되었다. 이에 2010년에 1GW의 생산량을 보인 고효율 태양전지 시장은 2012년 2.9GW를 기록하였고 2015년에는 7.4GW로 성장할 것으로 예상한다. <출처: SNS리서치>

UHD TV market Insight (2011~2016)

2010년부터 지속하고 있는 미국 및 유럽의 천문학적인 재정적자 및 유가급등에 따른 경기 악화가 지속하면서 세계경기도 동반하여 하락하였고 각국의 소비자들은 지갑을 닫으면서 생계에 필요한 최소한의 지출만을 하여 신제품 출시에도 불구하고 실판매로 연결되지 못했고 교체시기가 지난 제품들도 신제품으로 교체되지 않고 기존 보유 제품을 지속 사용하는 생계형 소비 패턴이 지속하고 있는 현실이다.

대형 LCD 패널 가격이 지속적으로 하락하여 대형 TV를 선호하는 소비자들의 수용할 수 있는 가격대로 근접하면서 50인치 이상 초대형(Super Large) 고해상도(4K2K:UD) TV 시장이 빠른 속도로 성장하고 있다.

LCD 패널의 급속한 가격 하락과 경기 침체에 따른 수익성 악화에 따라 차세대 대형 Line 투자를 하기가 어려운 각 LCD 패널 업체들은 감가상각이 끝난 Line(8세대 이하)들을 사용하여 현재의 약 90%~95% 수준인 Glass 효율을 95%~98% 수준으로 끌어올리는 개선을 위해 한 장의 원판 유리에서 Size가 다른 모델을 동시에 생산하는 방법으로 MMG(Multi Model Glass)을 추진하면서 MMG와 Glass 효율 극대화를 통한 새로운 Size와 초고해상도를 지원하는 초대형의 새로운 패널들이 개발 양산되면서 새로운 Size의 Panel과 Set 제품들이 중국시장을 시작으로 전 세계 시장으로 확대 판매되기 시작하였다.

최근에 디지털 TV(FHD: 1920×1080)를 뛰어넘는 새로운 차별화 시장을 겨냥한 4K2K(UD: 3840×2160) TV가 출시되고 있고 수년 전부터 일본에서 NHK를 중심으로 디지털 TV의 세대를 위한 SHV(Super High Vision: 8K4K)의 초고해상도화를 연구 개발을 추진하고 있으며 Sony, Sharp, Panasonic 등 글로벌 TV 시장의 주도권을 빼앗긴 일본 업체들과 거대 중국 내수시장을 선점을 위해 중국 Local 6대 업체들의 적극적인 제품 개발과 마케팅 전략이 전개되고 있다. 2012년 LCD패널 기준으로 각 LCD제조사의 출하량은 약 63K로 집계되었다. 올해는 TV제조사들의 제품 라인업 확대로 총 2.6백만대가 출하될 것으로 예상한다. 2013년 전 세계 TV출하량을 235.1백만대로 추산되며 UHD는 1.1%를 점유하여 올해가 UHD TV가 본격 성장을 시작하는 첫해가 될 것이다. <출처: SNS리서치>

6인치 LED칩 제조원가, 2015년 4인치 앞설 것

2015년부터 6인치 기판에서 생산된 LED칩 제조원가 경쟁력이 4인치를 앞설 것으로 보인다.

IHS Inc.(NYSE:IHS)에 인수된 디스플레이뱅크(www.displaybank.com)가 최근 발행한 ‘LED Cost Analysis and Price Forecast 2013’에 따르면, 6인치 기판에서 생산된 LED칩(1000×1000μm) 제조 비용은 2015년에 미화 0.031달러를 기록하며 4인치에서 생산되는 제조 비용보다 낮아질 것으로 분석됐다. 주요 원인으로는 6인치 기판 공급가의 하락과 Epitaxy 기술 개선으로 인해 수율이 대폭 향상되는 것을 꼽았다.

LED 패키지 업체들은 LED칩뿐만 아니라 Leadframe, Wire, Phosphor 등을 구매하여 조립하고 있어 원가 비중이 높은 LED칩의 단가 인하 요구가 높다. 이에 따라 LED칩 제조 업체들은 대구경 전환과 원재료 비용 및 Epitaxy 기술 개선으로 원가 경쟁에서 우위를 가지는 것이 중요하다고 손승규 책임 연구원은 전했다. 또한, 현재 LED 조명 제품의 가격이 계속 하락하고 있어 LED 관련 부품 및 반제품의 가격도 계속해서 떨어질 것이라고 덧붙였다. <출처: IHS 디스플레이뱅크>

원자력 발전 향후 정책 방향 ‘관리·억제 방향으로’

노후화, 부품 문제, 잇따른 가동중단 등으로 꾸준히 이슈가 되고 있는 원자력 발전소의 향후 운영 정책에 대해 운영 중인 원전을 잘 관리하는 것을 중심으로 추가 건설은 하지 말아야 한다는 의견이 가장 많았다.

여론조사 전문기관 모노리서치(대표 이형수)는 지난 5월 29일 전국 성인남녀 1,101명을 대상으로 원전 정책 의견조사를 실시한 결과 39.5%가 ‘기존 원전 관리 중심의 억제정책’, 32.1%가 ‘추가 원전 건설 등의 확대 정책’, 8.8%가 ‘전면 가동 중단 등 적극적인 반원전 정책’을 지목했다. ‘잘 모름’은 19.6%였다.

‘억제 정책’은 20대(54.4%)와 경북권(49.7%), 학생(81.9%)에서, ‘확대 정책’은 50대(38.5%)와 서울권(37.5%), 자영업(43.3%)에서, ‘반원전 정책’은 30대(17.0%)와 충청권(11.6%), 사무/관리직(11.9%)에서 응답률이 높았다.

정당지지도별로는 새누리당 지지 응답자가 ‘확대 정책(38.7%) 〉 억제 정책(37.0%) 〉 반원전 정책(5.7%)’, 민주당 지지 응답자가 ‘억제 정책(45.0%) 〉 확대 정책(28.0%) 〉 반원전 정책(11.7%)’의 응답률을 보였다.

조사를 진행한 모노리서치의 이재환 선임연구원은 “이웃 일본의 후쿠시마 원전 유출 사고 등으로 위험하다는 인식과 함께 정부의 수출정책 등으로 호감도가 올라간 원전에 대한 찬반 여론이 팽팽하게 형성돼 있음을 보여주는 조사 결과”라고 밝혔다.

이번 조사는 지난 5월 29일 저녁 전국 19세 이상 남녀 1,101명을 대상으로 일반전화 RDD(무작위 임의걸기) IVR(ARS) 방식으로 조사했으며 성별, 연령별, 권역별 인구비례에 따라 가중치를 부여했다. 표본오차는 95% 신뢰 수준에서 ±2.95%p이다. <출처: 모노리서치>

태양 에너지와 풍력 에너지 산업 내 주파수 인버터 시장

신재생 에너지 부문 관련한 정책 변화와 계속되는 재정위기가 유럽 전반 태양열 및 풍력 에너지 산업 내의 주파수 인버터 시장에 중대한 영향을 미치기 시작했다. 축소된 보조금이 근시일 내에 유럽 해당 시장을 약화시킬 것으로 전망되는 한편, 낮은 유지보수 비용과 높은 투자 수익률(ROI) 보장이 이 어려운 시기에도 주파수 인버터 시장을 버티게 하는 요인들로 꼽히고 있다.

한편 유럽과는 달리, 아시아나 북미 지역 등 다른 지역에서는 해당 시장 성장 잠재력이 강력할 것으로 기대된다.

프로스트 앤 설리번 한국 지사가 발표한 ‘태양 에너지와 풍력 에너지 산업 내 주파수 인버터 시장 전략 분석 보고서(Strategic Analysis of the Frequency Inverters Market in Solar and Wind Energy Industry, http://www.motors.frost.com)’에 따르면, 2011년 세계 주파수 인버터 시장 수익이 태양열 산업 내에서는 약 60억, 풍력 에너지 산업 내에서는 약 28억 4천만달러의 이익을 거둔 것으로 조사됐으며, 2018년 이 두 산업 내에서의 시장 수익은 145억 8천만달러와 70억 9천만달러에 달할 것으로 전망됐다.

유럽은 정책 변화로 인해 앞으로 2년 이내에 신재생 에너지 부문 세금이 높아지고 보조금이나 투자금은 줄어들 것으로 예상한다. 여기에 발전 차액지원제도(feed-in tariffs)가 늘어난 점도 신재생 에너지 부문의 투자를 억제시킬 수 있을 것으로 우려된다.

프로스트 앤 설리번 산업 자동화 및 공정 제어 산업부의 시바쿠마르 나라야나스와미(Sivakumar Narayanaswamy) 산업 연구원은 “이런 변화들이 단기간에는 주파수 인버터 시장에 큰 영향을 미치겠지만, 중-장기에 접어들면서 영향력이 어느 정도 누그러질 것으로 보인다. 시장 참여업체들은 운영비를 줄이고 지속 가능한 전략들을 개발해 이 새로운 정책들에 대비하고 있다”고 전했다.

태양열 에너지와 풍력 에너지 산업 내 주파수 인버터 제조업체들은 재정위기로 인한 투자 위축 현상을 해결하기 위해 안간힘을 쓰고 있다. 이런 상황에서도 주파수 인버터의 낮은 유지보수 비용과 높은 투자 수익률은 주파수 인버터의 지속적인 활용을 장려하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다.

나라야나스와미 연구원은 “태양열 인버터는 높은 내구성과 낮은 수명주기 비용에 힘입어 다른 인버터 제품 대비 유지보수 비용을 약 10% 절감시킬 수 있다”고 전했다.

풍력 에너지 인버터 제품들의 평균 수명은 8~10년 정도다. 제품 품질과 내구성 향상을 위한 더 많은 노력이 유지보수 비용을 더욱 줄여 비용 절약에 도움을 줄 수 있다.

신속한 투자회수 역시 태양열 에너지와 풍력 에너지 산업 내에서 주파수 인버터에 대한 지속적인 수요 창출을 이끌어내는 요인이다. 이런 제품들이 에너지 최적화를 가능케 하고 에너지 절약에 큰 힘이 될 것으로 기대된다. <출처: 프로스트 앤 설리번 인터내셔널>