최근 IEA 보고서에 따르면 추가적인 에너지, 환경 정책 추진없이 현재와 같은 에너지 소비 패턴으로 지속된다면 장기적으로 지구 온도가 섭씨 6℃가 상승, 심각한 환경 파괴 문제가 초래될 수 있다고 경고하고 있다.

세계 에너지 수요 증가의 대부분을 차지하는 개발 도상국의 경우 비용이 비싼 신재생에너지 보다 쉽게 쓸 수 있는 화석연료 기반의 에너지에 주로 의존할 것으로 예상되기 때문에 보다 효율적인 에너지 사용의 중요성은 특히 선진국을 중심으로 점점 더 커질 것으로 예상된다.

그렇다면 에너지 걱정을 덜어줄 수 있는 유망 소재에는 어떤 것들이 있을까. 최근 LG경제연구원은 보고서를 통해 신재생에너지 발전 부문에서는 대형 풍력 발전기 블레이드를 가능케 하는 탄소섬유복합소재와 태양전지의 고순도 폴리실리콘, 연료 전지용 고분자 전해질막 등을 꼽았다. 화력발전에서는 발전효율을 높이기 위해 고압, 고온에서도 견딜수 있는 초초임계 발전용 소재인 초내열 합금강, 수송용 분야는 항공기와 자동차 경량화를 위한 유무기 복합소재, 전기자동차에 사용되는 2차 전지용 탄소 소재 및 실리콘계 합금 소재도 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 유망 소재로 내다봤다.

■ 점점 커지는 에너지 효율의 중요성 = 최근 IEA보고서에 의하면 향후 비OECD 국가들은 2010년과 2035년 사이 전 세계 인구 성장의 약 90%, 에너지 소비 증가의 90%를 차지할 것으로 예상되며 이로 인해 2035년이 되면 전세계 에너지 수요가 비약적으로 증가해 2010년 대비 약 30% 이상 늘어날 것으로 예상했다. 또한, 2035년에는 에너지 관련 이산화탄소 배출량이 2010년 304억톤에서 364억톤으로 증가해 장기적으로 세계 평균 온도가 섭씨 3.5℃ 정도 상승할 것으로 예상되고 있다.

신재생에너지가 중요 에너지원으로 대두될 것이라는 희망적인 견해도 있지만 향후 에너지 소비 증가의 상당 부분을 차지하고 있는 중국, 인도 등에서는 비용이 비싼 신재생에너지보다는 비교적 쉽게 확보할 수 있는 화석 에너지에 우선적으로 눈을 돌릴 가능성이 높다.

이러한 상황에서 앞으로 에너지를 효율적으로 이용하는 것의 중요성은 점점 더 커질 것으로 예상된다. 에너지를 효율적으로 이용하려는 노력은 선진국을 중심으로 확대되고 있으며 실제로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 다양한 기기들이 개발되고 있다.

풍력, 태양광 등 신재생에너지의 생산 과정과 석탄, 석유 등 에너지원들의 에너지 전환 과정에서의 에너지 효율성 이슈가 대두된다.

■ 발전 등 에너지 전환 부문은 = 풍력발전의 경우 발전 효율을 더욱 향상시키기 위해 블레이드를 대형화하려는 시도가 이뤄지면서 대형 블레이드에 적합한 새로운 소재 개발이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 현재 가격 경쟁력 확보를 위해 비교적 가격이 싼 유리 섬유로 보강한 유리 섬유 강화 플라스틱이 주로 사용되지만 120m가 넘는 블레이드 제조를 위해서는 유리섬유에 비해 기계적 성질이 좋은 탄소 섬유를 추가로 사용해야 한다. 최근 탄소 섬유·유리 섬유 하이브리드 형태로 보강된 플라스틱이 개발되고 있으며 앞으로 탄소 섬유 사용 비중은 점차 높아질 것으로 예상된다.
탄소 섬유에 대한 수요 중에서 풍력발전의 수요가 가장 크다. ICIS Chemical Business에 따르면 2015년에는 풍력 발전용 탄소섬유 수요가 2010년 약 만 톤 대비 약 4배, 2019년이며 6배 이상 증가할 것으로 전망하고 있다.

태양전지의 경우 전체 원가에서 가장 높은 비중을 차지하고 있는 부분이 소재이기 때문에 소재에 대한 관심이 상당히 높다. 최근 태양전지의 원가 경쟁력 확보를 위해 고효율, 저가의 소재를 개발하는 것이 가장 중요한 이슈로 대두되고 있다. 결정질 실리콘은 원료인 폴리실리콘 가격이 높아 상대적으로 가격이 비싸다는 단점이 있지만 상대적으로 효율이 높다는 장점이 있다. 특히 CIGS, CdTe 등 박막형 태양전지의 경우 아직 기술적으로 안정적이지 않아 생산 기업이 그리 많지 않지만 가격이 낮다는 장점으로 인해 기술 발전에 따라 점차 성장할 것으로 예상된다.

화력발전의 경우 최근 일본 원전 사태 이후 기저 발전의 위상을 더욱 공고히 하면서 발전 효율성이 한층 강화된 초임계압이나 초초임계압 발전 방식에 대한 관심이 크게 늘어나고 있다. 이들 발전 방식은 기존 발전과 달리 섭씨 700℃가 넘는 고온에서 작동하기 때문에 발전소에서 가장 중요한 부분인 가스터빈에 사용되는 소재의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 현재 가장 적합한 소재로서 초내열 합금강이 대두되고 있다. 최근 IGCC 등과 같이 친환경적이면서 또한 발전 효율이 크게 향상된 발전 방식이 개발되면서 고온 및 대형 가스터빈을 위한 초내열 합금강 개발에 대한 관심이 더욱 높아질 것으로 예상된다

■ 수송 부문은 = 수송 분야에서의 에너지 효율 개선은 북미나 유럽의 환경 규제 강화로 인해 반드시 해결해야 하는 중요 과제 중 하나다. 경량화는 이를 해결하기 위한 가장 중요한 해결 방법이 되고 있으며 이 때문에 경량 소재에 대한 관심이 집중하고 있다. 경량소재로 주목받고 있는 것은 크게 금속 계열과 비금속 계열로 나눌 수 있으며 금속 계열은 기존 철강에 비해 가벼우면서도 물성이 뛰어난 고강도 철강 뿐만 아니라, 마그네슘, 알루미늄 등을 이용한 합금이 대표적인 경량 소재다. 한편 비금속 계열로서는 과거 플라스틱이 주로 사용되었지만 최근 유기 소재인 플라스틱과 클레이 등 무기 소재를 복합해서 만든 유무기 복합소재 그리고 탄소 섬유 복합 소재 등이 단연 두각을 나타내고 있다.

이와 동시에 기존 자동차에 비해 연비가 크게 개선된 하이브리드 자동차나 전기자동차도 급속히 성장하고 있다. 이러한 현상이 일시적 유행에 머물지 않고 하나의 트렌드로 자리 잡을 것으로 예상되면서 전기 자동차의 핵심 부품인 2차 전지에 대한 관심이 쏠리고 있는 상황이다.

■ 가정·상업·산업용 부문은 = 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.

최근 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.

또한 기존 조명기구·디스플레이에 비해 저전력 소비 및 장수명의 특징을 가진 LED, OLED 가 미래의 중요 제품으로 주목을 받고 있는 상황이다.

■ 폐기 에너지 회수 부문은 = 그동안 버려져 왔던 에너지를 회수하는 소재로 열전, 압전 소재 등이 주목을 받고 있다. 열전 변환 기술은 오래 전에 개발됐지만 낮은 변환 효율 등으로 상업화가 되지 않고 있다가 최근 소재 분야에서 나노 차원의 제어 기술이 발달하면서 주목을 받고 있다. 현재 Bi-Te계를 사용하기 위한 연구가 진행중이며 아직 초기 연구 개발 수준으로서 미국, 일본, 독일 등에서 정부 지원하에 연구가 이뤄지고 있다.

압전 기술은 주로 무선 센서 네트워크용 전원이나 대용량 압전 발전 시스템으로 개발될 수 있다. 주요 소재로는 무연 압전 세라믹, 압전 단결정, 압전 폴리머 등이 있다. 기술력에서 가장 선두에 있는 일본의 경우 일본 도쿄역에 압전매트를 설치, 사람들이 밟으면서 생기는 압력을 전기 에너지로 변환해 전력을 생산하는 등 시범 사업을 진행하고 있다.

그밖에 식용 자원을 원료로 이용하는 기존 바이오 플라스틱과 달리 폐목재 라든지 볏짚 등 폐자원을 원료로 사용해 바이오 제품을 생산할 수 있는 기술도 주목을 받고 있다.