석탄 산업을 탄소 닷스를 통해 재창조하기

2023년 12월, 198개 서명국은 당사국 회의(COP)에서 집단적으로 화석 연료와 같은 석탄을 “정의된, 질서정연한, 그리고 공정한 방식”으로 전환해야 하는 것으로 합의했으며, 2050년까지 온실 가스排出量을 거의 제로로 줄여야 한다. 그러나 아직 시간표는 없으므로 화석 연료는 향후 수년간 모든 경제의 기둥이 될 것이다.

석탄은 세계에서 가장 우세하고 가장 탄소 집약적인 에너지 원입니다. 석탄의 4가지 주요 유형은:

(i) 무연탄
(ii) 비트민
(iii) 亚비트민
(iv) 갈탄

이 화석 연료는 세계 전기 공급의 37% 이상을 차지하며, 가정과 산업을 동력화하고 세계의 에너지 빈곤을 완화하는 데 기본적인 역할을 합니다. 현재도 전 세계적으로 약 8.6억 명의 사람들이 전기에 접근할 수 없습니다. 따라서 현대적인 삶은 석탄 없이 상상할 수 없습니다.

전 세계 석탄 사용량은 2023년에 1.4% 증가하여 85억 메트릭 톤을 처음으로 돌파했으며, 이는 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면 2026년에는 80억 메트릭 톤 이상으로 유지될 것으로 예상됩니다.

석탄은 에너지 소비가 빠르게 증가하는 도전을 해결하는 데 필요한 자원입니다. 석탄은 다른 화석 연료보다 훨씬 더 저렴하고 접근성이 용이합니다. 석탄은 석유와 가스와 달리 전 세계 어디에서나 풍부하게 발견될 수 있습니다.

석탄의 문제는 고압 파이프라인, 비용이 많이 드는 처리, 또는 비싼 운송 중 보호가 필요하지 않기 때문에 다른 고연성 화석 연료보다 저장 및 운송이 더 쉽습니다. 또한 석탄은 사용되기 전에 채굴만 하면 되므로 다른 화석 연료와 달리 길고 비싼 정제 과정이 필요하지 않습니다.

석탄은 또한 다른 화석 연료와 달리 높은 압력 파이프라인, 비싼 처리, 또는 비싼 운송 중 보호가 필요하지 않습니다. 또한 석탄은 사용되기 전에 채굴만 하면 되므로 다른 화석 연료와 달리 길고 비싼 정제 과정이 필요하지 않습니다.

또한 석탄은 다른 화석 연료와 달리 전 세계에 더 균등하게 분포되어 있습니다. 2020년 1월 현재, 미국은 세계에서 가장 큰 석탄 매장을 보유하고 있으며, 이는 모든 화석 연료 매장의 거의 90%에 해당하며, 약 250억 톤의 석탄을 보유하고 있습니다.

석탄은 저렴하고 접근성이 용이하며, 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 석탄은 주로 전기 발전에 사용되며, 석탄으로 발전된 전기는 다른 원천으로 발전된 전기보다 저렴합니다.

미국에서도 석탄은 발전소에서 화석 연료를 태워서 전기를 생산합니다. 그 결과 발생하는 열은 물을 고압汽로 변환하여 터빈을 구동하여 전기를 생산합니다. 2019년에 미국의 모든 전기 중 약 23%는 석탄 발전소에서 생산되었습니다.

석탄은 또한 강철과 콘크리트를 생산하는 데 사용되며, 철 제조 및 기타 금속 제조에 핵심 구성 요소입니다. 석탄과 그 부산물은 또한 물 필터와 공기 정화 시스템, 항공기와 자동차의 건설, 의약품, 및 희토류 원소 추출을 위한 화학 공정에 사용됩니다.

또한 석탄의 가스화와 액화 사용이 있습니다. 대부분의 석탄-가스 프로젝트는 미국과 중국에 위치하고 있으며, 일부는 호주, 캐나다, 인도, 남아프리카, 및 인도네시아에 있습니다. 또한 석탄은 종이, 섬유, 및 유리 산업에서 사용되며, 탄소 섬유 제조에 필요한 재료를 제공합니다.

석탄은 풍부하고, 저렴하며, 신뢰할 수 있지만, 산업은 기술 개발과 제로 배출 경로 개발의 도전을 겪고 있습니다.

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석탄의 경제적 역할 재평가

세계 각국이 기후 변화에 기여하는 에너지 생산 수단으로 전환하겠다고 약속함에 따라, 연구자와 과학자들은 석탄을 다른 방식으로 사용하는 방법을 찾고 있습니다.

석탄의 경제적 역할을 재평가하기 위해, 台湾 반도체 제조 회사, 국가 에너지 기술 연구소, 일리노이 대학교 어반나-샴페인, 및 오크 리지 국립 연구소가 공동 연구를 통해 석탄이 차세대 전자 장치에서 중요한 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다.

최근 몇 년 동안, 2D 재료에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 이는 그들의 전기적, 광학적, 및 기계적 특성으로 인해 새로운 기술을 개발할 수 있는 플랫폼을 제공합니다.

2D 층状 반도체는 높은 이동도, 저전력 스위칭, 상대적으로 큰 밴드 갭, 및 대규모 성장 방법의 가용성과 같은 특성을 가지고 있으며, 이는 차세대 전자 장치에 유망한 후보로 만듭니다. 이제 석탄은 이러한 전자 장치에서 사용하기 위해 실험되고 있습니다.

“석탄은 일반적으로 불쾌하고 더러운 것으로 생각되지만, 우리는 그것을 몇 개의 원자만큼 얇은 고순도 재료로 변환할 수 있는 기술을 개발했습니다.”

– 일리노이 대학교 물질 과학 및 공학 교수인 Qing Cao는 공동 연구를 주도했습니다.

그는 또한 다음과 같이 말했습니다.

“그들의 고유한 원자 구조와 특성은 현재의 기술을超越하는 성능으로 가장 작은 가능한 전자 장치를 만들기에 이상적입니다.”

이 협력 하에, 연구자들은 석탄 찌그러짐을 극도로 작은 탄소 디스크로 변환하는 공정을 개발했습니다. 이러한 나노 스케일 탄소 디스크는 원자적으로 얇은 막을 생성하기 위해 연결될 수 있습니다.

이러한 막은 2D 트랜지스터와 메모리스터와 같은 기술에 사용될 수 있습니다. 연구자에 따르면, 이러한 기술은 더 효율적인 전자 장치를 구축하는 데 중요합니다.

석탄은 풍부하고, 저렴하며, 신뢰할 수 있지만, 산업은 기술 개발과 제로 배출 경로 개발의 도전을 겪고 있습니다.

석탄이 차세대 전자 장치에서 중요한 역할을 할 수 있습니다

세계 각국은 기후 변화에 기여하는 에너지 생산 수단으로 전환하겠다고 약속함에 따라, 연구자와 과학자들은 석탄을 다른 방식으로 사용하는 방법을 찾고 있습니다.

작은, 빠른, 및 더 발전된 전자 장치를 만들기 위해, 연구자들은 원자 하나 또는 두 개의 두께로 만든 재료를 사용하여 장치를 만들고 있습니다.

이러한 장치는 더 빠르게 작동하며, 에너지를 훨씬 적게 소비합니다. 이러한 장치를 만들기 위해, 연구자들은 초박형 반도체에 대한 많은 연구를 수행했습니다.

재료는 전기 전도 능력에 따라 전도체, 반도체, 및 절연체로 분류됩니다. 구리, 황동, 강철, 금, 및 알루미늄과 같은 재료는 낮은 전기 저항으로 인해 쉽게 전기를 전도하므로 전도체로 분류됩니다.

절연체는 유리, 공기, 나무, 플라스틱, 및 고무와 같은 재료로, 전기를 쉽게 전도하지 않습니다. 한편, 실리콘, 게르마늄, 및 셀레늄과 같은 재료는 전도체와 절연체 사이의 전기 전도도 값을 가지고 있습니다.

반도체의 저항은 온도가 상승함에 따라 감소하며, 반도체의 전도도는 온도가 상승함에 따라 증가합니다.

절연체는 벽의 단열, 가마의 열 및 전기 절연, 소음의 방지, 및 전기 회로의 절연과 같은 다양한 용도로 사용됩니다. 반도체도 우리 주변에 있습니다. 거의 모든 가전제품에 있는 작은 트랜지스터와, 태양광 패널에서 전기를 생산하는 태양 전지와 같은 반도체가 있습니다.

절연체의 밴드 갭은 매우 크며(약 15eV), 반도체의 밴드 갭은 매우 작습니다(약 1eV).

최근 연구에 따르면, 원자적으로 얇은 탄소 층은 2D 장치를 구축하는 데 우수한 절연체로 작용할 수 있습니다. 연구자들은 석탄에서 파생된 탄소 층을 사용하여 2D 트랜지스터를 만들었습니다.

석탄에서 파생된 탄소 층은 다른 3D 절연체와 달리 “달랑하는 결합”이 없습니다. 이러한 결합은 3D 절연체의 표면에 풍부하게 존재하며, 전기적 특성을 변경하여 트랜지스터의 스위칭 속도를 늦추는 역할을 합니다.

그러나 새로운 석탄에서 파생된 탄소 층은 다른 원자적으로 얇은 재료와 달리 비정형이며, 이는 불필요한 전기 흐름을 발생시켜 장치 작동 중에 상당한 추가 전력 소비를 유발합니다. Qing Cao는 다음과 같이 말했습니다.

“석탄은 일반적으로 저기술로 생각되지만, 이제는 마이크로 전자 기술의 최전선에 직접 연결되었습니다.”

또한 연구자들은 메모리스터와 같은 장치를 보여주었습니다. 이러한 장치는 데이터를 저장하고 처리할 수 있으며, 인공지능의 구현을 크게 향상시킵니다.

석탄에서 파생된 탄소 층을 사용하여, 연구자들은 빠른 필라멘트 형성을 가능하게 하여 장치가 빠르고 저전력으로 작동하도록 할 수 있습니다. 또한, 이러한 층은 데이터 저장의 신뢰성을 높이는 데 도움이 됩니다.

이러한 새로운 장치는 석탄에서 파생된 탄소 층이 2D 장치에서 사용될 수 있음을 보여줍니다. 다음 단계에서는 대규모 적용이 가능한 석탄 기반 탄소 절연체의 제조 공정을 개발하는 데 중점을 둘 것입니다.

새로운 접근 방식 활용

세계는 탄소를 줄이기 위해 에너지 생산 수단을 전환하고 있지만, 산업에서 석탄을 재평가하는 연구는 다양한 산업, 특히 반도체 제조업체가 이러한 새로운 형태의 석탄을 미래에 활용할 수 있도록 할 것입니다.

#1. 台湾 반도체 제조

이 회사는 세계에서 가장 큰 칩 제조업체로, 산업에서 가장 발전된 공정 기술을 사용합니다. 台湾 반도체 제조는 NVIDIA, AMD, Intel, 및 Apple과 같은 많은 유명 클라이언트의需求을 충족합니다.

시장 자본화는 530.26억 달러이며, TSM 주가는 현재 101.40으로, 연중 기준 1.69% 하락했습니다. 회사는 12개월 매출이 69.84억 달러이며, 12개월 기준 EPS는 5.36, 12개월 기준 P/E는 19.08, 12개월 기준 ROE는 29.43%입니다. 台湾 반도체 제조는 또한 1.88%의 배당 수익을 제공합니다.

#2. NVIDIA Corporation

이 회사는 게임, 랩톱, 데이터 센터, 및 앱을 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하며, 특히 그래픽 처리 장치(GPU)를 개발하는 것으로 알려져 있습니다.

最近, NVIDIA는 비디오 게임爱好者와 로컬에서 AI 애플리케이션을 실행하기 위한 새로운 데스크톱 그래픽 처리 장치인 GeForce RTX 40 SUPER 시리즈를 공개했습니다. NVIDIA는 또한 중국의 전기 자동차 시장에서 자동 운전 시스템을 위한 기술을 사용할 4개의 중국 전기 자동차 브랜드와 협력하고 있습니다.

시장 자본화는 1.29조 달러이며, NVDA 주가는 현재 522.58로, 연중 기준 5.5% 상승했습니다. 회사는 12개월 매출이 44.87억 달러이며, 12개월 기준 EPS는 7.57, 12개월 기준 P/E는 68.99, 12개월 기준 ROE는 69.17%입니다. NVIDIA는 또한 0.03%의 배당 수익을 제공합니다.

#3. Advanced Micro Devices, Inc.

이 회사는 CPU 및 GPU 설계자로, 최근 Ryzen 8000G 시리즈를 발표했습니다. 이 시리즈는 Ryzen 7 8700G를 헤드라인으로 하며, AMD는 이를 가장 빠른 통합 그래픽 가속기로介绍했습니다. 또한, Advanced Micro Devices의 최신 GPU인 Radeon 시리즈는 게이머 시장의 하위 및 중위层를 대상으로 합니다.

시장 자본화는 236.154억 달러이며, AMD 주가는 현재 145.21로, 연중 기준 0.83% 하락했습니다. 회사는 12개월 매출이 22.11억 달러이며, 12개월 기준 EPS는 0.13, 12개월 기준 P/E는 1,152.84, 12개월 기준 ROE는 0.38%입니다.

결론

따라서, 석탄 산업은 과학자와 연구자들이 석탄의 가치와 역할을 재평가하는 연구를 통해 변하고 있습니다. 이러한 연구는 석탄이 차세대 전자 장치에서 중요한 역할을 할 수 있음을 보여주고 있습니다. 이러한 방식으로, 석탄 산업은 전자 기술의 미래를 지속 가능한 방식으로 형성하는 데 도움이 될 수 있습니다.