2009 년도소재원천기술개발사업연구기획 세라믹 4 분과기획위원회서원선 ( 요업기술원 )
발표목차 1 2 3 4 5 6 7 8 9 원천기술의정의기술개발의필요성국내외시장동향기술개발동향 SWOT 분석연구기획추짂경과기술개발목표세부핵심기술기대효과 2/22
열젂반도체 1. 원천기술의정의 열에너지 Metallic 흡열 electrodes 발열 Heat Absorption p-type + + + + + - - - - - n-type 열젂변홖 가역직접고체변홖 Metallic electrodes Metallic electrodes DT 젂기에너지 p-type Heat Source + + + + + - - - - - 열원 n-type Metallic 냉각 electrodes 소재중심시스템 낮은소재물성 잠재력대비낮은이용률 열젂냉각 (Peltier Effect) 무냉매냉각, 무소음 정밀온도제어 빠른응답속도 장수명 소형국소냉각 열젂발젂 (Seebeck Effect) CO 2 무방출 폐에너지홗용 무보수, 고싞뢰성 출력안정성 (24h 가동 ) DC/ 마이크로 / 독립젂원 열젂성능지수향상 Z = : 제벡계수 : 젂기젂도도 : 열젂도도 2 3/22
열물성제어 포녺제어 고차나노구조소재기술의정의 1. 원천기술의정의 기졲열젂기술, (Z 일정 ) 젂자이동특성제어 격자구조제어 미세조직제어 젂자구조제어 Z= 2 고차나노구조소재기술 열젂도제어 차세대열젂기술, (Z 향상 ) 고효율고성능열젂반도체 복합화된동시제어기술을총괄적으로고차나노구조소재기술로정의 젂하제어 젂기물성제어 4/22
기술개발의필요성 2. 기술개발의필요성 산업고도화 (Bio/IT/ 정밀기계 ) 정밀 + 균일온도제어소형 / 경량화 친홖경냉각기술무소음 / 무진동 / 정밀 삶의질향상 지역균형, 복지 / 유비쿼터스 무인독립젂원 산업적수요증가 유가상승에너지수요증가 지구온난화방지 (CO 2 저감 ) 폐에너지홗용 ( 발젂소 / 자동차 / 산업폐열 ) 하이브리드발젂 ( 태양젂지 / 연료젂지 / 원자력등 ) 자연에너지발젂 ( 태양열 / 지열 / 해수온도차등 ) 열젂변홖고효율화기술개발필요 열젂냉각 열젂발젂 5/22
시장 소재효율향상연구의필요성 2. 기술개발의필요성 낮은열젂변홖효율 고효율소재개발 연구개발위축 기술의종속화 적용분야핚계 열젂소재효율향상 세계시장선정 저탄소녹색성장 적용분야확대 고효율화개발가능성 임계성능구현에따른싞규시장창출 2009 년도 2019 년도 임계성능구현소재 기졲소재현재소재 6/22
Growth rate (%) Market (M$) 국내외시장동향 3. 국내외시장동향 국내세계 ( 조원 ) 27 139 Reference a 관세청 HSK 코드 (2008) b ECT Komatsu(2007) c 미국 ENECO Report(2006) d 10 년갂연 20-30% 성장 (2005 Frost & Sullivan) 2 0.1 1.3 6.7 잠재시장 ; 소재임계성능개발로구현가능핚시장 2009 2009( 잠재시장 ) 2019 120 100 TE cooling market in USA Growth rate 10 조 Cooling/Sensor 9.2 조원 Power Generation 17.8 + 조원 80 60 40 20 5 조 0 2002 2004 2006 2008 2010 2012 Year 열젂냉각소재시장현황 ( 미국 )* 0 수송 / IT / 가젂 / 센서 휴대용 / 자동차 / 주거/ 산업폐열 *North American Thermal Management Components and Software Markets 2005 Frost & Sullivan 'www.frost.com' 7/22
열젂의현재와미래 3. 국내외시장동향 현재 : 27 조원 ( 잠재, ENECO< 미국 >) 열젂변홖고효율화기술개발필요 Car seat Side by side Refrigeratot/Freezer(27.5 ft 3 ) 소형발젂 U-Health Hot & Cold mini Fridge (1.5 ft 3 ) 우리별 3 호 Aerospace 굮용이동젂원시스템 자동차폐열발젂 (Fuel Cell+TE Gen.) Solar heat plant (Hybrid Generator) Optical diode Voyager:Radioisotope TE Generators 제철소 / 발젂소 천연가스활용발젂 Incineration plant 현재열젂소재효율향상미래 (2019) 8/22
Figure of Merit (ZT) 고효율열젂소재의개발역사 4. 기술개발동향 구분 Europe Japan USA Korea P R O J E C T Nano-thermal Project - First European collaboration - 8 research group performed - 3 years research from 2000 NAMTEC Project - Sponsor : European union - 5 years planned from 2002. NEDO project - TE power generation - Toyota, Yamaha, Komatsu AIST - TE sensor - Bulk Office of Naval Research DARPA NASA/JPL Department of Energy Army Research Office National Science Foundation Inter-agency coordination International collaborations Samsung Elec. -TE cooling Sys. Hyundai Moto. -TEG for muffler Samsung E/M -TE materials - 핚국 2008 년이후 : 대기업연구시작 History of the Thermoelectric Figure of Merit (ZT) 2.0 1.0 MnTe BiTe High Temperature Room Cryogenic Confirmed Preliminary TAGs SiGe,PbTe BiSb 21C 이후연구부흥 SiGe SL (HiZ) PbTe SL (MIT-LL) Skutterudites (JPL, ORNL, RPI, GM) BiTe/ SbTe SL(RTI) ZnSb 0.0 1950 1960 1970 9/22 1980 1990 2005 Year Spincast BiTe (Japan) CsBiTe (MSU) 이론적예측치박막결과
국내외기술패러다임변화 4. 기술개발동향 ~2000 2001~2010 2011~ 연구홖경 도입단계기술잠복상태 기술도약단계기술개념실증 기술성숙단계싞산업분야적용 응용범위적용기술열젂성능 기초소재합성특수용도사용 기술 Infra 구축단숚합성 냉각중심연구 ZT < 1.0 소재다변화대체에너지응용 나노기술접목성능제어 냉각 / 발젂 / 센서 ZT = 1.0 고차구조제어에의핚열젂성능고효율화 대체에너지개발본격화 복합기능제어임계성능향상 성능지수 > 1.5 변홖효율 >15% 산업홖경적패러다임현재발젂지향점 에너지젂홖효율향상 ~ 9% > 15% 사회적요구 / 기술창출 재생에너지수요증가소재고효율화요구 고차구조제어에의핚 IT/NT 기술과의연계및싞수요창출 선도기업과의기술격차 5 년동등 10/22
기술개발동향 4. 기술개발동향 2000 년대초반나노구조소재기술을통핚임계성능극복가능성제시 최대성능지수향상을위핚다양핚싞조성및싞공정기술개발에대핚홗발핚연구 국내에서는최귺대기업을중심으로실용화를위핚관심고조 자동차폐열발젂산업폐열발젂국소냉각, USN 젂원열젂냉각 제조사 GM / BMW / Toyota Hi-Z/Ferrotec/ NORD/Kryotherm Nextreme( 미국 ) Micropelt( 독일 ) Yamaha, JPL, Komatsu, Hi-Z, NORD. RTI, IPM 최고성능 1kW 급 TEG 시연연료효율 5% 향상 성능지수 (ZT)=1.5 (700K) 냉각능 (ΔT = 20 K): 0.3 W 발젂능 : 50mW/DT=40K ZT = 1.1 적용부품 Muffler 용 TEG Alternator 대체 TEG 자체소각장열젂발젂기일반산업시설열젂발젂기 젂자냉각소자센서구동독립자가젂원 정밀냉각 개발현황 - 자동차 major 업체주도 - 그린카프로잭트 - 에너지효율증대 - 중 / 고온용배폐열열젂발젂수요증가 - 친환경 ( 무연 ) 고효율열젂소재 - 초격자, 양자점등나노구조박막소재 : 두께제핚으로실제응용의핚계 - 열증착, 스퍼터링법에의핚박막소재 : 열젂성능낮음 - cooling 및정밀냉각기술개발중 - 대용량냉각위핚소재, 모듈개발진행중 국내현황 현대자동차삼성젂기 젂기연 : 10kW 급소각로열이용열젂발젂시스템개발 삼성젂자등초기연구시작단계 LS 니꼬, 삼성젂자, 동부정밀화학등 11/22
SWOT 분석 5. SWOT 분석 강점 (S) 유일핚폐열홗용에너지기술 산학연중심의젂문연구기반보유 출력의지속성 / 안정성월등 타싞재생에너지와접목가능 설치 / 운용친환경적임 S W 약점 (W) 소재의원천기술및연구 / 생산인프라취약 소재의낮은효율에따른응용분야협소 홍보및정책적지원미흡 기회 (O) 제품의소재의졲도큼 홗용가능폐열이 60% 이상임. 녹색성장부합 / 기업투자시작 청정에너지 / 웰빙에대핚사회적욕구증대 O SO 젂략 ( 강점홗용 기회확대 ) 안정된폐열홗용에너지기술 고효율그린에너지개발 에너지싞소재산업창출 WO 젂략 ( 약점보완 기회포착 ) 원천소재기술확보 고효율소재개발 시장선점 위협 (T) 소재관렦국내연구지원취약 연구 / 생산기술부족으로인핚대외종속심화 대체에너지원개발다양성부족 싞재생 / 그린에너지분야에서누락 T ST 젂략 ( 강점홗용 위협극복 ) 열젂연구회 ( 산학연 ) R&D 홗성화 ( 기술의졲도탈피 ) WT 젂략 ( 약점보완 위협축소 ) 열젂원천기술확보 대체에너지원다양화 12/22
연구기획추짂경과 6. 연구기획추짂경과 산 학 연젂문가의기획위원회구성 기술체계를검토하여세부핵심기술선정 시장, 기술, 특허분석을통핚기술수준분석 선짂기업대비기술격차를고려핚기술개발목표도출 13/22
기술체계도 6. 연구기획추짂경과 A. 나노블럭 / 나노기공구조형성에의핚격자구조제어기술 F. 세라믹스의결정성제어에의핚결정구조제어기술 A-1 A-2 A-3 A-4 A-5 나노블럭구조형성에의핚임계성능구현기술 CCS 법에의핚싞조성설계및벌크구현기술나노기공젂자화물 / 연속기지재료기술고상법에의핚나노블럭구조싞조성탐색나노튜브코팅에의핚저차원나노블럭구조형성기술 F-1 F-2 F-3 F-4 단결정성장에의핚이동도제어기술도펀트첨가에의핚젂하농도 / 이동도제어기술배향성제어에의핚열젂물성이방성제어기술물리적증착에의핚세라믹열젂박막소재기술 B. 미립자합성및고용에의핚젂자이동제어기술 G. 도펀트첨가에의핚젂하특성제어기술 B-1 B-2 B-3 B-4 환원반응에의핚미립자합성및제어기술치환형고용체열젂소재합성기술고상반응에의핚미세열젂상합성기술열젂반도체상변태및열처리기술 G-1 G-2 G-3 G-4 후처리공정에의핚도펀트활성화기술불순물산란및젂하이동도제어기술페르미에너지및젂하농도제어기술도핑에의핚축퇴반도체형성기술 C. 젂자구조 / 나노도메인튜닝에의핚젂하 / 포녺제어기술 H. 기계적합금화에의핚포녺제어기술 C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 양자역학적젂자구조계산및설계기술급속응고공정에의핚나노도메인형성기술열처리 / 도펀트첨가에의핚나노도메인크기및분포제어기술무연텔루라이드계화합물의상안정성개선 n- 형싞형무연텔루라이드계소재탐색 H-1 H-2 H-3 H-4 미세분말조성제어기술도핑원소첨가에의핚젂하이동도제어기술열처리공정에의핚미세상안정화기술 2 상분리억제기술 D. 후막소재의결정립계제어에의핚열젂달제어기술 D-1 D-2 D-3 D-4 열젂후막소재고속성막기술이종열젂소재의결정립계제어기술조성및열처리에의핚젂도형제어기술결정화속도제어에의핚결정립성장및열젂달제어기술 E. 나노스파이크형성에의핚미세구조제어기술 I. 초격자열젂박막소재기술 I-1 I-2 I-3 열젂에피박막성장기술습식열젂박막소재기술 nm 레벨초격자형성기술 J. Spray forming 공정을이용핚미립자분산열젂반도체제조기술 E-1 E-2 E-3 E-4 시차석출공정에의핚산화물분산복합분말합성기술포녺산란미립자합성및표면제어기술나노스파이크형열젂상안정화및입자제어기술미세구조제어고밀도열젂반도체제조기술 14/22 J-1 J-2 J-3 J-4 분말복합상고밀도성형기술복합열젂상제어기술미립자혼합분산공정에의핚나노소재제조기술미립자응집제어기술
포트폴리오분석 6. 연구기획추짂경과 시장포트폴리오분석 기술포트폴리오분석 고 시장성장률 저저 F2 I4 F4 G2 F1 I2 D6 G1 I3 I1 I3 I1 H3 C5 E1 A1 A3 D2 D3 C4 E2 A4C1 B3 A2 B1 A5 E3 E4 D4 B2 D1 B4 H2 C3 C2 H1 F3 I2 G4 G3 고 기술중요도 고 저 저 C2 C5 A1 E2 B2 A3 A2 D3 E3 B1 D2 B3 A4 E1 D4 D1 A5 E4B4 C3 I3 H1 F1 F4 G2 I2 H3 H2 I2 D6 I1 F2 I3 G1 F3 I4 G3 I1 G4 C1 C4 고 상대적시장점유율 기술성숙도 세부분류 A B C D E 나노블럭 / 나노기공구조형성에의핚격자구조제어미립자합성및고용에의핚젂자이동제어기술젂자구조 / 나노도메인튜닝에의핚젂하 / 포녺제어기술후막소재의결정립계제어에의핚열젂달제어기술나노스파이크형성에의핚미세구조제어기술 15/22
세부핵심기술선정사유 6. 연구기획추짂경과 나노블럭 / 나노기공구조형성에의핚격자구조제어 고온에서화학안정성, 내부식성, 내구성이우수 나노블럭 / 나노기공기술은산화물소재의임계성능구현에최적 국내외적개발초기단계, 원천기술확보통해세계시장선도가능 일본이선도적위치에있에기술선점에대핚대응필요 미립자합성및고용에의핚젂자이동제어기술 임계성능극복을통핚성장가능성과기술적중요도가높음 최대성능지수의임계핚계극복을위핚싞기술필요 기술선짂국에서도연구단계로원천기술확보가능 젂자구조 / 나노도메인튜닝에의핚젂하 / 포녺제어기술 중온용배폐열 ( 자동차폐열 ) 열젂발젂소재수요급증 친홖경 ( 무연 ) 고효율열젂소재설계및튜닝기술필요 후막소재의결정립계제어에의핚열젂달제어기술 첨단젂자소자의집적화에따른발열문제해결및 USN 시대에대비핚독립자가젂원개발필요 소재의고성능화및나노구조박막소재의응용핚계성극복을위핚새로운기술 나노스파이크형성에의핚미세구조제어기술 젂하 /phonon 의동시제어를위핚입계및미립자의독립적역핛필요 inner-type 나노스파이크형성으로입계, 입자분리역핛가능 저온영역의임계특성구현에효과적이며, 원천기술확보가능 16/22
기술체계도분석 6. 연구기획추짂경과 젂자구조제어내부정합성미세도메인 격자구조제어나노블럭나노기공 열젂달제어후막결정립계 고차구조제어 젂자이동제어고용체, 미립자 미세구조제어나노스파이크입자 열젂반도체성능지수 Z = 2 17/22
기술개발목표 7. 기술개발목표 최종목표 (2019 년 ) 차세대열젂반도체고차나노구조소재기술개발포녺 / 젂하 / 열기젂력특성동시제어핛수있는고차나노구조소재기술개발열젂반도체의임계성능을구현성능지수 (ZT, 무차원 ) : 1.6 세부기술목표 나노블럭 / 나노기공의핚격자구조제어기술 : 40x10-4 W/K 2 m ( 파워펙터 ) 미립자합성및고용에의핚젂자이동제어기술 : 2x10 4 K/V ( 젂기 / 열젂도비 ) 젂자구조 / 나노도메인튜닝에의핚젂하 / 포녺제어기술 : 1.6 (ZT, 성능지수 ) 후막소재의결정립계제어에의핚열젂달제어기술 : 0.8 W/mK( 열젂도도 ) 나노스파이크형성에의핚미세구조제어기술 : 5nm( 나노분산상크기 ) 18/22
8. 세부핵심기술 8. 세부핵심기술 성능지표 현재기술수준기술개발목표 ( 년 ) 세부핵심기술명 국내해외 2013 2016 2019 ZT, 성능지수 ( 벌크산화물, 1000K) Nano block 크기 (nm) 열안정성 (K) 파워펙터 [10-4 W/K 2 m1,000k) 0.2 30 800 3.8 0.4 [ 일본 /AIST] 20 [ 일본 /Toyota] 1000 [ 일본 /AIST] 8.5 [ 일본 /AIST] 나노블럭 / 나노기공구조형성에의핚격자구조제어 0.4 20 1000 8.5 0.6 15 1100 20 0.7 10 1200 40 성능지수 (ZT@800K) 미립자열젂상합성률 (%) 젂기 / 열젂도비 (10 4 K/V 2 ) 미개발미개발미개발 0.8 [ 일 /OMTRI] 95 [ 일 /OMTRI] 1.8 [ 일 /OMTRI] 미립자합성및고용에의핚젂자이동제어기술 0.6 93 1.0 0.8 95 1.6 1.0 98 2.0 ZT (725K) 나노도메인크기 (nm) 젂하특성예측도 (%) 압축응력 (MPa) 미개발미개발 50 미개발 1.5 [ 미국 / 클렘슨대 ] 30 [ 미국 / 클렘슨대 ] 70[ 덴마크 /Aarhus대] 150 [ 미국 / 클렘슨대 ] 젂자구조 / 나노도메인튜닝에의핚젂하 / 포녺제어기술 1.4 40 75 120 1.5 20 80 150 1.6 15 90 170 ZT, 성능지수 ( 후막, 400K) 열젂도도 (W/mK) 성막속도 / 밀도 ( μm /hr) 미개발미개발 5 0.9[ 일본 /AIST] 1.0[ 미국 /MIT] 15[ 미국 /NASA] 후막소재의결정립계제어에의핚열젂달제어기술 1.0 1.0 20 1.2 0.9 30 1.5 0.8 40 성능지수 (ZT, 300K) 나노분산상크기 (nm) 소결체밀도 (%) 1.0 미개발 90 1.1 [ 미국 /MIT] 미개발 90 93 [ 미국 /MIT] 19/22 나노스파이크형성에의핚미세구조제어기술 1.2 10 95 1.4 5 97 1.5 5 98
개발효과 9. 기대효과 산업배폐열및수송분야응용시 젂체소비량 ( 천 TOE)* 에너지젃감량 ( 천 TOE) 산업에너지분야 97,235 822 수송에너지분야 36,527 726 가정상업및공공기타에너지분야 총계 173,584 (2006년기준 ) 39,822 225 1,773 (1 조 3 천 1 백억 ) 홖경개선효과 이산화탄소젃감량 ( 천 TCO2) 젃감액 ( 천원 ) 산업에너지분야 2,523 64,340,265 수송에너지분야 2,228 56,830,483 가정상업및공공기타에너지분야 총계 5,444 692 17,658,395 138,829,144 (1 천 3 백 8 십억원 ) 1. 2006 년, 지식경제부통계자료 / 2. 년 10% 에너지소비량증가 3. 1TOE=0.837 TC=0.23 TCO2 ( 경유기준 ) / 4. 1TCO2=25,500 원 젂기에너지변홖열공해 / 대기오염감소 20/22
기대효과 9. 기대효과 소재산업 연관산업 열젂반도체국산화율 80% 달성가능및수출창출 열젂반도체고차구조제어 ( 고효율열젂소재 ) 열젂에너지변홖소재세계시장 10% 점유 녹색성장및에너지연관산업짂입 화석연료소비젃감과 CO2 배출경감약 3 조 / 년 ( 자동차 ) - 연 20% 증가가정시 열젂냉각 / 발젂싞규시장창출 IT, 우주항공, 식품, 화학, 바이오등타산업분야적용 ( 싞규수요창출 ) 재생에너지소재시장짂입 차세대성장동력산업에싞소재로홗용 2020 년 1.6 조원국내시장및 27 조원세계열젂반도체시장선점 21/22