수소

기존 전기는 ESS(Energy Storage System) 배터리를 사용 저장 용량과 기간의 한계가 존재한다. 하지만, 수소는 기체 또는 액체로 대량저장이 가능하다. 수소 자체로 저장이 가능하고 질소를 활용하여 암모니아 혹은 액화수소로 저장이 가능하다. 또한, ESS는 송전선을 통해 제한적인 거리만 운송이 가능하다.

수소는 전기를 만드는 과정에서 물만 배출하는 탄소중립 끝판왕이다. 우주에 존재하는 원소 중 가장 풍부해 고갈될 걱정이 없다.

그런데 자연상태에서 수소는 다른 물질이랑 결합된 화합물 형태로 존재한다. 그래서 수소를 에너지원으로 사용하려면 분리하는 과정이 필수다. 어떤 원료를 사용해서 어떻게 분리하는지에 따라 그레이 수소, 블루수소, 그린 수소 등 별명이 붙는다.

세상에서 가장 가벼운 원소이다. 따라서, 중력으로 가두기 어려워 대부분 우주에 존재한다. 그리고 수소는 화학반응에 예민해서 수소폭탄이라는 말도 많다.

장점

1. 저장 및 운송이 용이
2. 풍력, 태양광 등 잉여전력을 수소로 저장
3. 자원이 무한
4. 안전하다

수소 종류

그레이 수소

천연가스(주로 메탄)를 스팀 메탄 개질(SMR, Steam Methane Reforming) 방식으로 분해하여 생산한다. 이 과정에서 고온의 스팀을 사용하여 메탄과 반응시키면 수소와 일산화탄소가 생성된다. 이어서 물과 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성한다.

블랙 수소

브라운수소와 유사하게 만들어지나 석탄을 가공해서 얻을 수 있다

브라운 수소

석탄을 가스화하여 수소를 생산한다. 갈탄으로 만들어진다.

그레이수소 1톤을 만드는데 이산화탄소 10톤을 배출한다.

블루수소

2024년 기준 가장 현실적인 친환경 수소로 부각되고 있다. 그레이 수소는 화석연료 분해로 만들게 되므로 탄소가 많이 배출되는 단점이 있고, 그린수소는 경제적, 기술적 한계가 있다. 따라서, 화석연료를 사용하는 기술은 같지만 배출되는 탄소를 분리해서 잡아내는 기술(CCS)로 온실가스 배출을 최소화한다. 또한, 대량생산도 가능하다.
탄소배출은 그레이수소에 비해 이산화탄소가 60%나 더 적게 배출된다.

CCUS

탄소(Carbon)을 잡아서(Capture) 활용(Utilization) 하거나 저장(Storage)하는 기술을 뜻한다. 이산화탄소를 모아 시멘트, 비료 만들 때 사용하거나, 지하 800m 이상 깊은 땅속에 가둘 때 쓴다. 이미 상용화된 기술로, 전 세계 진행되고 있는 프로젝트만 392개이며, 국제 에너지기구(IEA)는 2050년까지 탄소배출량을 줄이는 노력의 15%를 CCUS가 담당할 것으로 예상한다.

핑크수소

원자력에서 얻은 전기로 물을 전기분해해서 만든 수소다. 원자력 발전 과정에서 나오는 열이나 냉각수도 함께 이용하면 비용은 낮추고 효율은 높여서 경제적으로 청정 수소를 만들 수 있다.

• 레드 수소: 원자역의 열을 이용해서 만든다
• 퍼플 수소: 원자력 열과 전기를 함께 이용한다.

그린수소

태양광이나 풍력과 같은 재생에너지원에서 얻은 전기로 물을 전기분해해서 만들기에 온실가스가 발생하지 않는다. 2024년도 기준까지 경제적, 기술적 한계로 인해 대량 생산이 불가능하다.

화이트 수소

자연적으로 지하에서 발생하는 수소로, 인위적인 생산 과정이 필요 없다. 지질학적 활동이나 화학적 반응에 의해 지하에서 형성된 수소를 직접 채굴한다.
매우 희귀하며, 채굴 과정에서 환경에 미치는 영향이 적다. 따라서 ,자연 발생 수소의 양이 매우 제한적이어서 대량 생산에는 한계가 분명하다.

액화수소

액화수소는 기체 상태의 수소를 -253도 극저온 상태로 냉각해 액체 형태로 만든 것을 말합니다. 액화수소가 부각되는 이유는 장점이 많습니다.

장점

1. 저장, 운송 유리
   • 기체수소 대비 부피가 1/800 수준이라 한 번에 10배나 많이 옮기고 저장이 가능하다
2. 빠른 충전
   • 충전시간이 전기차보다 훨씬 짧아서 수소버스, 수소트럭 등 큰 차도 빠르게 충전이 가능하다

따라서, 그래서 액화수소가 운송수단의 미래 에너지원으로 주목받는 것입니다. 수소차는 탄소배출이 전혀 없는 것은 다연하고, 오히려 대기를 정화시키는 효과가 있습니다. 수소버스 1대가 1년에 418톤의 공기를 정화한다고 합니다.

폭탄?

수소 에너지로 사용하는 수소는 경수소입니다. 수소폭탄은 중수소, 삼중수소로 전혀 다른 물질입니다. 오히려 수소는 안전한 에너지로 꼽히고 있습니다. 수소의 위험도를 1로 봤을 때, 일상에서 많이 쓰는 가솔린이 1.44, LPG는 1.2로 수소가 다른 에너지보다 안전하다는 연구결과도 있습니다. 게다가 우리나라는 수소 안전 관련 법을 꼼꼼하게 만들어서 세계 최고 수준의 안정성 확보를 위해 노력하고 있습니다.

더불어, 수소를 운반할 때는, 대기압 수준에서 보관 및 운반 하기 때문에 폭발할 가능성이 아주 낮습니다. 이런 액화수소를 만드는 곳을 '액화수소 플랜트'라고 합니다.

액화수소 플랜트

SK E&S가 지난 8월 인천에 연간 최대 3만톤의 액화수소를 생산할 수 있는 플랜트를 준공했습니다. 수소버스 5000대를 1년 동안 운행할 수 있는 용량이라는 조사결과도 있습니다.

국가별 정책

미국

대규모 청정수소 공급망 구축을 통한 에너지 리더십 강화

EU

에너지자립, 탄소중립을 위한 수소에너지 산업전반 확대

그외 다수 국가 수소 에너지 확대 예정

수소

기존 전기는 ESS(Energy Storage System) 배터리를 사용 저장 용량과 기간의 한계가 존재한다. 하지만, 수소는 기체 또는 액체로 대량저장이 가능하다. 수소 자체로 저장이 가능하고 질소를 활용하여 암모니아 혹은 액화수소로 저장이 가능하다. 또한, ESS는 송전선을 통해 제한적인 거리만 운송이 가능하다.

수소는 전기를 만드는 과정에서 물만 배출하는 탄소중립 끝판왕이다. 우주에 존재하는 원소 중 가장 풍부해 고갈될 걱정이 없다.

그런데 자연상태에서 수소는 다른 물질이랑 결합된 화합물 형태로 존재한다. 그래서 수소를 에너지원으로 사용하려면 분리하는 과정이 필수다. 어떤 원료를 사용해서 어떻게 분리하는지에 따라 그레이 수소, 블루수소, 그린 수소 등 별명이 붙는다.

세상에서 가장 가벼운 원소이다. 따라서, 중력으로 가두기 어려워 대부분 우주에 존재한다. 그리고 수소는 화학반응에 예민해서 수소폭탄이라는 말도 많다.

장점

1. 저장 및 운송이 용이
2. 풍력, 태양광 등 잉여전력을 수소로 저장
3. 자원이 무한
4. 안전하다

수소 종류

그레이 수소

천연가스(주로 메탄)를 스팀 메탄 개질(SMR, Steam Methane Reforming) 방식으로 분해하여 생산한다. 이 과정에서 고온의 스팀을 사용하여 메탄과 반응시키면 수소와 일산화탄소가 생성된다. 이어서 물과 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성한다.

블랙 수소

브라운수소와 유사하게 만들어지나 석탄을 가공해서 얻을 수 있다

브라운 수소

석탄을 가스화하여 수소를 생산한다. 갈탄으로 만들어진다.

그레이수소 1톤을 만드는데 이산화탄소 10톤을 배출한다.

블루수소

2024년 기준 가장 현실적인 친환경 수소로 부각되고 있다. 그레이 수소는 화석연료 분해로 만들게 되므로 탄소가 많이 배출되는 단점이 있고, 그린수소는 경제적, 기술적 한계가 있다. 따라서, 화석연료를 사용하는 기술은 같지만 배출되는 탄소를 분리해서 잡아내는 기술(CCS)로 온실가스 배출을 최소화한다. 또한, 대량생산도 가능하다.
탄소배출은 그레이수소에 비해 이산화탄소가 60%나 더 적게 배출된다.

CCUS

탄소(Carbon)을 잡아서(Capture) 활용(Utilization) 하거나 저장(Storage)하는 기술을 뜻한다. 이산화탄소를 모아 시멘트, 비료 만들 때 사용하거나, 지하 800m 이상 깊은 땅속에 가둘 때 쓴다. 이미 상용화된 기술로, 전 세계 진행되고 있는 프로젝트만 392개이며, 국제 에너지기구(IEA)는 2050년까지 탄소배출량을 줄이는 노력의 15%를 CCUS가 담당할 것으로 예상한다.

핑크수소

원자력에서 얻은 전기로 물을 전기분해해서 만든 수소다. 원자력 발전 과정에서 나오는 열이나 냉각수도 함께 이용하면 비용은 낮추고 효율은 높여서 경제적으로 청정 수소를 만들 수 있다.

• 레드 수소: 원자역의 열을 이용해서 만든다
• 퍼플 수소: 원자력 열과 전기를 함께 이용한다.

그린수소

태양광이나 풍력과 같은 재생에너지원에서 얻은 전기로 물을 전기분해해서 만들기에 온실가스가 발생하지 않는다. 2024년도 기준까지 경제적, 기술적 한계로 인해 대량 생산이 불가능하다.

화이트 수소

자연적으로 지하에서 발생하는 수소로, 인위적인 생산 과정이 필요 없다. 지질학적 활동이나 화학적 반응에 의해 지하에서 형성된 수소를 직접 채굴한다.
매우 희귀하며, 채굴 과정에서 환경에 미치는 영향이 적다. 따라서 ,자연 발생 수소의 양이 매우 제한적이어서 대량 생산에는 한계가 분명하다.

액화수소

액화수소는 기체 상태의 수소를 -253도 극저온 상태로 냉각해 액체 형태로 만든 것을 말합니다. 액화수소가 부각되는 이유는 장점이 많습니다.

장점

1. 저장, 운송 유리
   • 기체수소 대비 부피가 1/800 수준이라 한 번에 10배나 많이 옮기고 저장이 가능하다
2. 빠른 충전
   • 충전시간이 전기차보다 훨씬 짧아서 수소버스, 수소트럭 등 큰 차도 빠르게 충전이 가능하다

따라서, 그래서 액화수소가 운송수단의 미래 에너지원으로 주목받는 것입니다. 수소차는 탄소배출이 전혀 없는 것은 다연하고, 오히려 대기를 정화시키는 효과가 있습니다. 수소버스 1대가 1년에 418톤의 공기를 정화한다고 합니다.

폭탄?

수소 에너지로 사용하는 수소는 경수소입니다. 수소폭탄은 중수소, 삼중수소로 전혀 다른 물질입니다. 오히려 수소는 안전한 에너지로 꼽히고 있습니다. 수소의 위험도를 1로 봤을 때, 일상에서 많이 쓰는 가솔린이 1.44, LPG는 1.2로 수소가 다른 에너지보다 안전하다는 연구결과도 있습니다. 게다가 우리나라는 수소 안전 관련 법을 꼼꼼하게 만들어서 세계 최고 수준의 안정성 확보를 위해 노력하고 있습니다.

더불어, 수소를 운반할 때는, 대기압 수준에서 보관 및 운반 하기 때문에 폭발할 가능성이 아주 낮습니다. 이런 액화수소를 만드는 곳을 '액화수소 플랜트'라고 합니다.

액화수소 플랜트

SK E&S가 지난 8월 인천에 연간 최대 3만톤의 액화수소를 생산할 수 있는 플랜트를 준공했습니다. 수소버스 5000대를 1년 동안 운행할 수 있는 용량이라는 조사결과도 있습니다.

국가별 정책

미국

대규모 청정수소 공급망 구축을 통한 에너지 리더십 강화

EU

에너지자립, 탄소중립을 위한 수소에너지 산업전반 확대

그외 다수 국가 수소 에너지 확대 예정

질화 갈륨

반도체 재료로, 주로 고주파 및 고전력 전자기기에 사용된다. GaN은 전자 이동도도가 높고, 열 전도성이 우수하며, 고온에서 안정적인 특성을 갖고 있어 기존의 실리콘(Si) 반도체에 비해 여러가지 장점을 제공한다.

따라서, 실리콘을 대체할 차세대 전력 반도체 소재로 주목받고 있다.

원리

1. 밴드갭

- GaN은 약 3.4eV의 넓은 밴드갭을 가지고 있다. 이는 실리콘(1.1eV)보다 훨씬 넓다. 따라서, 넓은 밴드갭은 GaN 소자가 높은 전압에서 작동할 수 있도록 하며, 고온에서도 안정적으로 동작하게 한다.

2. 전자 이동도

- 전자 이동도가 높아 물질 내에서 빠르게 이동할 수 있다. 이는 고속 스위칭이 필요한 고주파 응용 분야에서 매우 중요하다.

3. 열 전도성

- 우수한 열 전도성을 가지고 있어 고전력 소자가 발생시키는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다. 이로 인해 고출력에서의 열 관리가 용이하다.

GaN 트랜지스터의 작동 원리

GaN 트랜지스터는 주로 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT, High Electron Mobility Transistor) 형태로 사용된다. HEMT의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

1. 이종접합 구조(Heterojunction)

- 일반적으로 GaN과 AlGan(알루미늄 갈륨 나이트라이드) 층을 사용한다. 이 두 재료 간의 이종접합 구조는 높은 전자 밀도를 형성한다.

2. 2차원 전자 가스(2DEG, Two-Dimensional Electron Gas)

- AlGaN/GaN 접합 계면에서 형성된 2DEG는 전자가 매우 빠르게 이동할 수 있는 경로를 제공한다. 이 2DEG는 높은 정도성과 이동도를 가지며, 전류가 흐를 수 있는 채널 역할을 한다.

3. 게이트 전압 제어(Gate Voltage Control)

- 게이트 전압을 통해 2DEG 채널의 전도성을 조절한다. 게이트에 전압이 가해지면 전자밀도가 변하고, 이를 통해 소스와 드레인 간의 전류 흐름을 제어할 수 있다.

주요 특징 및 장점

1. 고전력 밀도: GaN 소자는 실리콘 소자보다 훨씬 높은 전력 밀도를 제공할 수 있다. 이는 더 작은 크기로 더 높은 출력을 낼 수 있다.

2. 고효율: GaN 소자는 높은 효율로 작동하여 에너지 손실을 최소화할 수 있다. 이는 특히 전력 증폭기와 같은 응용 분야에서 매우 중요하다.

3. 고속 스위칭: GaN 소자는 높은 전자 이동도로 인해 매우 빠른 스위칭 속도를 제공한다.

4. 내열성: GaN 소자는 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있다. 극한의 환경에서도 성능을 유지할 수 있음을 증명한다.

응용 분야

1. 통신: 5G 네트워크 인프라와 같은 고주파 통신 장비에 사용된다. GaN 기반 전력 증폭기는 고출력과 고효율을 제공하여 5G 기지국의 성능을 향상한다.

2. 방위: 레이더 시스템, 전자전 장비 등에서 GaN 기술은 높은 출력과 신뢰도를 제공한다.

3. 위성 통신: 위성 통신에서 요구되는 높은 출력과 신뢰성을 제공하며, 무게와 크기를 줄이는데 기여한다,

4. 전력 전자기기: 전기차 충전기, 태양광 인버터 등 다양한 전력 변환 장치에서도 활용된다.

실리콘 vs GaN 기술적 비교

- 전력 밀도: GaN > Si

- 스위칭 속도: GaN > Si

- 내열성: GaN > Si

- 전력 효율: GaN > Si

- 비용은 비싸나, 전체적인 운영 비용을 절감될 수 있다.

GaN의 친구들

1. 실리콘 카바이드, 탄화규소(SiC)

2. 사파이어

3. 실리콘

4. 탄소

5. 산화 갈륨

6. 알루미늄 갈륨 나이트라이드

7. 다이아몬드

결론

반도체 산업에서는 실리콘 외에도 GaN, SiC, GaAs, InP, 다이아몬드, 그래핀 등 다양한 소재가 사용되고 있다. 각 소재는 특정 응용 분야에서 실리콘을 능가하는 성능을 제공하며, 이러한 재료들이 상호 보완적으로 사용되어 다양한 기술 발전을 이루고 있다. GaN과 SiC는 특히 고주파, 고전력, 고효율 응용 분야에서 주목받고 있으며, 그래핀과 같은 신소재는 미래의 혁신적인 전자기기 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.