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서현 하
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1 세라믹 ( 융합 ) 1 분과기획위원회 대표위원최병현 ( 요업기술원 )

2 원천기술의정의기술개발의필요성수요산업시장동향기술개발동향 SWOT 분석연구기획추진경과기술체계도기술개발목표세부핵심기술기대효과 2

3 녹색성장분야인고체산화물에너지변환신재료창출을위한나노복합세라믹소재기술 -산소이온전도체인나노복합세라믹이 600~1000 o C에서연료등과반응하여에너지를생산하는소재기술 -신재료창출, 임계성능구현 연속성확보 비표면적증가 Nano 복합소재의탁월성 3

4 에너지 환경 수송시스템 융합신산업 신성장동력사업 무공해석탄에너지 ( 연료물질 ) 해양바이오연료 ( 연료물질 ) 태양전지 ( 에너지발전 ) 이산화탄소회수및지원화 ( 연료물질 ) 연료전지발전시스템 원자력발전플랜트 ( 수소생성 ) 그린카 ( 연료전지하이브리드 ) 선박해양시스템 (APU 보조전력 ) 로봇 ( 보조전원 ) 신소재나노융합 ( 핵심소재 ) 정보기술 (IT) 융합시스템 ( 보조전원 ) 방송통신융합미디어 ( 보조전원 ) 출처 : 신성장동력기획단 ( 콘텐츠코리아추진위원회 ) 연료전지발전시스템분야에서는주력산업분야임 신성장동력사업 1개분야에서는주요핵심부품및시스템임 녹색기술산업및첨단융합산업 2개4 분야의핵심기술임

기술적필요성 - 선진국 SOFC 기술 follow-up - 원천소재기술을통한기술자립화 - 신재생에너지효율과경제성 SOFC 개발투자대기업들이전체생산시스템과부품국산화계발에주력 - poscopower, 삼성SDI, 한국전력, 효성중공업에서개발에참여또는개입 -보급계획 2015년 : 150W급실증연구 본격가동시

(Kw/hour)/n 효율 발전비용 SOFC 50~60 16 PAFC 38-48 23-25 PEMFC 30-50 30 Gasturbine 20-30 15-20 MCFC 45-60 18 태양광발전 10-20 - 경제적필요성 -연료전지발전시스템이차지하는비율수출액 : 55억달러 (08년) 363억달러 (18년) 부가가치

5 기술적필요성 - 선진국 SOFC 기술 follow-up - 원천소재기술을통한기술자립화 - 신재생에너지효율과경제성 SOFC 개발투자대기업들이전체생산시스템과부품국산화계발에주력 - poscopower, 삼성SDI, 한국전력, 효성중공업에서개발에참여또는개입 -보급계획 2015년 : 150W급실증연구 본격가동시 (2020년)-경쟁력부족 2020년 : 1MW급실증연구 -소재개발계획 선진국과공동성능을보이는원천소재기술필요 2015년 : 대용화대면적을이용고출력스택, 저비용화, 신뢰성확보 2015~2020년 : 신개념구성소재, 대용량, 신뢰성확보 출처 : 2030 신재생에너지 RND 전략 (2007 에너지관리공단 ) 효율 (%) 발전비용 (Kw/hour)/n 효율 발전비용 SOFC 50~60 16 PAFC PEMFC Gasturbine MCFC 태양광발전 경제적필요성 -연료전지발전시스템이차지하는비율수출액 : 55억달러 (08년) 363억달러 (18년) 부가가치 :5조원(08년) 26조원 ((18년) 일자리창출 : 8만명 (08년) 16만명 (18년] 출처 : 신성장동력기획단 ( 콘텐츠코리아추진위원회 ) 의 1/n 의수치임 사회문화적필요성 - 친환경성장을강조 - 대한민국이명박대통령 저탄소녹색성장, 미국오바마대통령 그린스타트 (Green Start) - 영국고든브라운총리 그린혁명, 프랑스사르코지대통령 미래성장의길 5

6 SOFC 기술과타기술과의경합관계 6

7 SOFC 기술과타기술의 Target 시장 Residential (1~15kW) Lightcommercial (25~250kW) Commercialwith Cogeneration (50kW~3MW) Industrial&distrubuted (3~50MW) SOFC(65) SOFC (65) PEMFC(40) Solar Pvs(10-20) Stirling Engines(1~25) PEMFC(40) PAFC(40) Solar Pvs(10~20) IC engines(33~35) Micro-turbines(26~30) SOFC(65) PAFC(40) MCFC(55) IC engines(33~35) Micro-turbines(26~30) SOFC (65) MCFC (55) Gas turbines (33~45) Wind turbines (10~20) Stirling engines (20) 자료 : Report; Fuel cells for distributed generation, Energy center of Wisconsin, 2000 ( ) 은 Efficiency, 붉은글씨는경합을나타냄 7

8 $ (billions) $ (billions) Unit shipped 중대형발전 가정용전원 보조전원산업 년연료전지시장예상규모 [Athena Institute Projections] 12 세계중소형연료전지시장현황 [FC Today] 세계 APU 용연료전지누적시장 [FC Today] Molbile power Compact power Stationary power 거치형전원중 63% 가분산형전원및가정용전원임 ( 전체시장규모 $190 대비 ] 일본 : 2010 년회사별연간 1 만대규모로생산계획 유럽 : 2015 년연간 20 만대시장판매를목표 매년약 2 배이상의보조전원용연료전지의시장이형성됨 8

9 발전소재시장 국내시장분산발전소재국외시장분산발전소재 2015년 2018년 2.6조원(8000천억점유 ) 2.8조원(9000천억점유 ) 95조원 (7.2조원점유 ) 128조원 (8.6조원점유 ) 출처 : 2007 년 prawley SOFC 2006 년시장연람 국내시장의경우국내는타연료전지분야에비해서 SOFC 의경우상용화가가장늦을것으로예상됨 2013 년 4825 억원규모의연료전지시장을형성 ( 대부분이 PEMFC 분이이며이중 10~15%(7235 억원 ) 을 SOFC 가점유예상 국내외연료전지시장현황 2010 년 2020 년 자동차용 ( 만대 ) 약 5 약 500 정 치 형 전체 ( 백만kW) 약 2.1 약 11 약 1.2 약 5.7 가정용 ( 백만kW) ( 약 1.2백만대 ) ( 약 5.7백만대 ) 업무용 ( 백만kW) 약 0.9 약 4.4 출처 : Mogens 9

10 첨부 1 해외국가별 SOFC 개발동향 선진국의경우에너지관련기술개발사업중 SOFC 개발에가장많은예산을투자중 정부주도하에 SOFC 연구개발을기획하여프로그램을수행 핵심원천기술은대학과연구기관이담당하며, 상용화기술은기업체중심으로동시개발추진미국일본 EU 목표 10년 $400/kW급 SOFC 상용화및 20년 100MW급석탄가스화 08년수십kW급 SOFC 시스템상용화목표 10년 0.5~5MW급대형발전용 SOFC 개발목표 중앙발전시스템상용화 개발동향 00년부터 SECA 프로그램가동중 -정부(DOE) 주도하에 6개기업체및 20여개연구기관참여 -스택구성소재및구조관련고신뢰성, 고내구성소재개발 $200M 규모의기업체별예산 89년부터 NEDO운영 -기업체중심의열병합발전시스템및복합발전시스템동시개발 -내구성을갖는스택구성소재의저가화, 고성능화및새로운소재탐색 프로젝트별 300억원규모정부지원 ESC(European Commission Subsidises of SOFC research and technology) 프로그램가동중 프로젝트별기업체주도하에연구기관과컨소시엄운영 -소형시스템을주로연구 10

11 국외 SOFC 기술개발동향 11

12 국내기관별 SOFC 개발동향 KIST KIER KICET 대학 90 초부터 planner type SOFC 소재개발 이하전해질지지체형 SOFC - 600~800 음극지지체형 SOFC kw 급단전지및스텍제조기술확보 시스템의안정성및저온성능향상연구주력 원통형 SOFC 스택개발 APU 및 SOFC-GT 시스템개발운전 - SOFC-GT 경우, 5kW 급 SOFC 스택은독일율리히연구소에서도입, 상압에서수소주입운전 (1kw) 평판형 SOFC 스택및스택모듈원천기술개발을추진중 90 년후반부터전해질에대한연구를시작한후 SOFC 단위셀구성요소에대한연구개발 이하에서사용가능한전해질, 전극소재합성연구 - 650~800 에서사용가능한밀봉재를연구개발 대학에서는단위셀구성요소에대해기초및특성평가를독자적으로진행 - 80 년대후반부터서울대등에서연구 - 90 년대초연세대등에서연구 - 최근고려대, 명지대, 경희대등에서연구 한국전력포스코파워삼성 SDI 평판형 SOFC 를사용하여 RPG kw 급시스템개발, 운전 - 연료극지지체형단전지를이용한스택모듈본체및 BOP 개발 5kW 급열병합 SOFC 발전시스템개발연구를수행중 - 국내기술시스템개발운전 90 후반부터 SOFC 용분리판소재개발, 2006 년 1kW 급 SOFC 스택의제작및운전평가 2007 년부터 2012 년까지대단위개발비를투자 150kW 급 SOFC 스택핵심기술및발전시스템을개발 5kW 시스템을 2009 년까지완성목표 - 튜브형스택보다시스템위주사업전개 100kW 급 SOFC 시스템개발추진중 ( 에너지전략과제 ) 12

13 기술수준 년도 개별연구 대학등에서 stack 구성요소기초연구 연구소대학 stack 수백 W급구성요소기초연구스택개발연구 수백 kw 급연구시작 150kW 급스택발전 system 핵심기술개발 150kw 급실증연구 보급 정부출연연구 콘소시엄구축 system 개발시작, 중단 수 kw 급 System 연구시작, System 운전시작기술개발 5kw 급시스템운전 20kw 급 RPG 시스템운전 3kw 급 APU 시스템운전 1MW 급발전용실증연구, 20KW 급상업용실증연구 1MW 급 SOFC- 터빈시스템 (Coal based system) 10MW 급발전용실증연구 100MW 급 SOFC-GT 시스템 구성요소 스택 대용량, 대면적, 고출력스택, 신뢰성확보, 경량화, 저 cost 화 신개념구성요소개발, 대용량, 신뢰성확보 신개념구성요소개발, 대용량, 신뢰성확보 (Green color 는신재생에너지 R&D 전략 2030 계획임 ) 13

14 SOFC 의기술이현재체계화되지않음 Blue ocean 의형태를보이고있음 가격경쟁력확보 그린에너지산업발전전략구축등정부의강력한지원의지 세라믹산업이급격히발전 선진국과경쟁 원천기술확보미흡 관련선진기술및전문인력부족 기술의신뢰성 / 안전성낮음 산업화인프라부족 Kyoto protocol 발효 에너지다변화인식확대 세계적으로산업화초기단계 세계시장급성장및대규모시장잠재력 기술개발미성숙단계 단시간기술격차극복 빠른속도의기술발전 선진국기술패권주의 / 치열한경쟁 핵심소재품귀및가격상승 구체적인시장형성미흡 구체적인기술표준부재 14

15 (1) 산 학 연전문가의기획위원회구성 (2) 기술체계를검토하여세부핵심기술선정 (3) 시장, 기술, 특허분석을통한기술수준분석 (4) 선진기업대비기술격차를고려한기술개발목표도출 15

16 16

17 이온 혼합전도성나노복합화세라믹소재 (A) 나노기술을이용한차세대산소 / 수소이온전도체기술 나노기술을이용한혼합전도체물성제어및합성기술 고내구성혼합전도성나노복합체구조설계및합성기술 고활성 고내구성나노복합소재 (B) 융합형세라믹 / 금속나노복합연료극소재설계및합성기술 세라믹연료극나노소재설계및제조기술 고활성 / 고내구성나노입자형촉매및담체소재기술 고성능 / 고신뢰성스택구성복합소재 (C) 치밀질코팅막용고전도성나노복합소재및코팅기술 고신뢰성고온밀봉소재설계및가스켓구조제어기술 고온무연화나노복합밀봉소재설계및복합화기술 다층구조계면특성향상을위한표면처리기술 고신뢰성이종다층구조소재 (D) 나노구조기능층 / 완충층소재및고기능경사기능소재기술 동종 / 이종다층구조개선및제어를위한소재기술 이종복합다층구조열화현상제어를위한설계및소재기술 17

18 시장포트폴리오분석 A A1 이온전도성 / 혼합전도성나노복합화세라믹소재기술 나노기술을이용한차세대산소 / 수소이온전도체기술 고 A2 나노기술을이용한혼합전도체물성제어및합성기술 D1 A1 A3 A3 고내구성혼합전도성나노복합체구조설계및제조기술 A2 A3 C4 B1 C1 B B 고활성 / 고내구성나노복합소재기술 D2 B3 C2 B1 융합형세라믹 / 금속나노복합연료극소재설계및합성기술 시 장성 장 B2 D3 C3 B2 B3 C 세라믹연료극나노소재설계및제조기술고활성 / 고내구성나노입자형촉매및담체소재기술 고성능 / 고신뢰성스택구성복합소재기술 률 C1 치밀질코팅막용고전도성나노복합소재및코팅기술 C2 고내구성밀봉복합소재설계및제조기술 C3 고온무연화나노복합밀봉소재설계및복홥화기술 C4 다층구조계면특성향상을위한표면처리기술 저 D 고신뢰성이종다층구조소재기술 저 상대적시장점유율 고 D1 나노구조기능층 / 완충층소재및구조설계기술 D1 동종 / 이종다층구조개선및제어를위한소재기술 18 D1 이종복합다층구조열화현상제어를위한설계및소재기술

19 고 기술포트폴리오분석 A A1 A2 이온전도성 / 혼합전도성나노복합화세라믹소재기술 나노기술을이용한차세대산소 / 수소이온전도체기술 나노기술을이용한혼합전도체물성제어및합성기술 A3 A3 고내구성혼합전도성나노복합체구조설계및제조기술 D3 A2 A3 D2 B1 C2 C4 A1 B B B1 고활성 / 고내구성나노복합소재기술 융합형세라믹 / 금속나노복합연료극소재설계및합성기술 기술적중요도 B2 D1 C1 B3 C3 B2 B3 C C1 세라믹연료극나노소재설계및제조기술고활성 / 고내구성나노입자형촉매및담체소재기술 고성능 / 고신뢰성스택구성복합소재기술 치밀질코팅막용고전도성나노복합소재및코팅기술 C2 고내구성밀봉복합소재설계및제조기술 C3 고온무연화나노복합밀봉소재설계및복홥화기술 C4 다층구조계면특성향상을위한표면처리기술 저 D 고신뢰성이종다층구조소재기술 저 기술적성숙도 고 D1 나노구조기능층 / 완충층소재및구조설계기술 D1 동종 / 이종다층구조개선및제어를위한소재기술 19 D1 이종복합다층구조열화현상제어를위한설계및소재기술

촉매활성감소방지를위한나노복합화를통한성능향상선행 물리화학적으로안정한고활성의차세대전도성세라믹소재 및나노입자형촉매물질개발필요 전지의성능을향상위한집전소재의표면처리기술이중요하며연료가스의누출은

20 A 이온 혼합전도성나노복합화세라믹소재 B 고활성 / 고내구성나노복합소재 C 고성능 / 고신뢰성스택구성복합소재 D 고성능 / 고신뢰성이종다층구조소재 기존의 SOFC 구성소재 : 성능감소요인발생으로상용화수준의소재및부품기술확보제한 높은전극활성 이온전도도특성장기발현, 열화요인최소화하는다기능성복합 / 나노소재및신물질개발필요 탄화수소계연료를내부개질로사용시 촉매활성감소방지를위한나노복합화를통한성능향상선행 물리화학적으로안정한고활성의차세대전도성세라믹소재 및나노입자형촉매물질개발필요 전지의성능을향상위한집전소재의표면처리기술이중요하며연료가스의누출은 SOFC 의성능을감소시킴 집전소재및복합소재기술이필요함 기운전시발생하는단전지의열화현상의경우연료전지의 안정적인운전의경우필수적 SOFC 의상용화및안정성을유지하기위해서는고신뢰성 이종다층구조 20 소재기술이절실함 20

21 최종목표 (2019 년 ) 고체산화물에너지변환나노복합세라믹소재기술 발전능력 > 2W/cm 2 스택고온장기안정성 ( 성능감소율 ) < 0.5%/1000시간 (H 2 분위기 ) 세부기술목표 이온전도성 / 혼합전도성나노복합화세라믹소재기술 : S/cm ( 이온전도도 ), 0.2ohm cm 2 ( 공기극 ASR), 0.2 um ( 두께 ) 고활성 / 고내구성나노복합소재기술 : ohm cm 2 ( 연료극 ASR), 4000 S/cm ( 전기전도도 ) 고성능 / 고신뢰성스택구성복합소재기술 : -0.05ohm cm 2 ( 분리판 ASR), 0.05 sccm/cm ( 가스누설율 ) 고성능 / 고신뢰성이종다층구조소재기술 : -1.7W/cm 2 ( 전력밀도 ), 0.5%/1000h ( 성능감소율 ) 21

22 미래요구기능 전력밀도 > 2 W/cm 2 스택고온장기안정성 ( 성능감소율 ) < 0.5%/1000 시간 현수준 (800 기준 ) - 국내 : < 5%/1000 시간 - 선진국 : < 2%/1000 시간 목표 : < 1%/1000 시간 고성능 / 고내구성 2010 ~ ~ ~ 2019 기술수준 고체산화물 에너지변환 나노복합 세라믹 소재기술 이온전도성혼합전도성나노복합화세라믹소재기술 고활성고내구성나노복합소재기술 고성능고신뢰성스택구성복합소재기술 고성능고신뢰성이종다층구조소재기술 결함구조제어및설계기술 나노이온공학기술 나노복합체이온공학기술 혼합전도체물성제어기술 분극기구해석및특성향상기술 나노구조 / 다층구조형성기술 나노복합분말설계및합성기술 나노복합체설계및합성기술 나노구조 / 다층구조내구성향상기술 나노분말합성및나노복합화기술 표면처리및입자형성제어기술 2-3차원미세구조제어기술 조성설계및나노분말합성기술 전도도및활성향상기술 나노복합화및나노분산기술 표면구조제어기술 나노기공제어기술 치밀질코팅막용고전도성소재기술 치밀질코팅막용고전도성코팅기술 다층구조계면특성향상기술 표면처리기술 고온밀봉소재설계기술 가스켓구조제어기술 가스켓구조적용기술 고온무연화나노복합밀봉소재설계기술 나노복합밀봉소재복합화기술 나노구조기능층 / 완충층합성기술 기능층 / 완충층접합기술 기능층 / 완충층제어기술 동종 / 이종다충구조합성및제어기술 동종 / 이종다층구조개선기술 동종및이종접합기술 동종및이종구조열화현상규명및제어기술 22 저중고

23 일본 NEDO 의 SOFC 기술개발의로드맵 현재 ~2030 Hybrid ( 분산젂원및산업용 ) ( 수백 kw~) *Hybrid: SOFC+GC Hybrid 시스템검증발젂효율 : ~50% (56%) 내구성 : 10,000 hrs (stack) 시스템가격 : 10,000 천 /kw Hybrid 시스템의검증발젂효율 55% (61%) 내구성 :10,000~20, 000 hrs 시스템가격 : 1,000 천 /kw Hybrid 시스템의초기도입발젂효율 60%(67%) 내구성 : 40,000 hrs 시스템가격 : 수백 ~ 수천만 /kw 보급률 : >60% (67%) 내구성 : 90,000 시간시스템가격 : <100 천 /kw 개발내용 저가의 stack 기술 ( 진하게 ) 열화구조대책 사용기술의진보 주변기기의간편및최소화 stack/ 부품비용감소 stack 내구성향상 주변장비의비용감소 대량생산의비용젃감 구조의최적화, 고성능 stack 부품생산향상및비용젃감 내구성향상기술적용 ( 신부품 ) 연료다양화기술적용 차세대기술 열화구조와가속된저하방법규명 열화대책 고효율화. 고신뢰성화 불순물과연료유형의영향에따른대책 내구성을개량하는기술의개발 새로운재료의응용을위한기술 연료의다양화기술 - 23

24 세부핵심기술명 성능지표 국내 현재기술수준 해외 기술개발목표 ( 년 ) 이온전도성 / 혼합전도성나노복합화세라믹소재기술 이온전도도 (S/cm) 공기극 ASR(ohm cm 2 ) ( 일 /Tosho) 0.15 ( 독일 / 율리히 ) 고활성 / 고내구성나노복합소재기술 연료극 ASR(ohm cm 2 ) 전기전도도 (S/cm) ( 미국 /UPenn) 3000 ( 미국 /UPenn)) 고성능고내구성스택구성복합소재기술 분리판 ASR(ohm cm 2 ) 가스투과율 (sccm/cm) ( 독일 / 율리히 ) 0.05 ( 미국 /PNNL) 고성능 / 고신뢰성이종다층구조소재기술 전력밀도 (W/cm 2 ) 성능감소율 (%/1000h) ( 일 /NEDO) 0.6 ( 독일 / 율리히 )

25 기술적측면 원천기술확보 소재국산화 대일, 대미무역역조해결 세계경쟁력확보를위한새로운소재개발 시장적측면 20여개이상의산업군및 300여개이상의젂후방관련기업육성 Supplier Buyer 전력변환기 진단장치 연료개질 탈황 세라믹원료 유리 Ni, STS 합금 금속가공 제어기 계측기 촉매 바이오매스 요업 금속기계 전기전자 화학 연료전지발전시스템기반및관련사업기술 원재료 시스템구성 시스템채용, 운용 연료전지제조업및전후방연관산업분야에서 18 만여명규모의일자리창출 건설 기계 전기전자 발전 환경 빌딩, 아파트, 상가 보조전원 시스템제조 비상용전원 LNG 사용대형중앙발전소 IGFC 연계중앙발전소 제철소 폐수처리장 소형복합발전 사회문화적측면 친환경분산전원설비보급확대로이산화탄소배출저감, 손배전손실및투자경감 R&D 분야고급인력확충및양성 25

신성장동력업종및품목분류 ( 안 )

신성장동력업종및품목분류 ( 안 ) 2009. 12. 일러두기 - 2 - 목 차 < 녹색기술산업 > 23 42-3 - 목 차 45 52 < 첨단융합산업 > 66 73 80-4 - 목 차 85 96 115 < 고부가서비스산업 > 120 124 127 129 135-5 - 녹색기술산업 - 6 - 1. 신재생에너지 1-1) 태양전지 1-2) 연료전지 1-3) 해양바이오