탄소점(카본 닷)을 통한 석탄 산업 재구상

2023년 12월, COP(Conference of Parties)에서 198개 서명국은 전 세계가 석탄과 같은 화석 연료에서 ‘공정하고 질서 있으며 형평성 있는 방식’으로 ‘전환’해야 2050년까지 온실가스 배출을 거의 제로 수준으로 줄일 수 있다고 공동으로 합의했습니다. 그러나 아직 구체적인 일정은 없으며, 앞으로도 화석 연료는 전 세계 경제의 핵심이 될 것입니다.

석탄은 세계에서 가장 지배적이며 탄소 집약도가 가장 높은 에너지 원천입니다. 석탄의 주요 유형 네 가지는 다음과 같습니다:

(i) 무연탄 (ii) 비트멘탄 (iii) 아열탄 (iv) 갈탄

이 화석 연료는 전 세계 전력 공급의 37% 이상을 차지합니다 전 세계 전기 공급의 근본적인 역할을 수행하며 가정과 산업에 전력을 공급하고 세계 에너지 빈곤을 완화합니다. 오늘날에도 전 세계 약 8억 6천만 명이 전기에 접근하지 못하고 있습니다. 따라서 현대 생활은 석탄 없이는 상상할 수 없습니다.

국제 에너지 기구(IEA)가 보고되었습니다 2023년 전 세계 석탄 사용량은 사상 최고치를 기록했으며, 연간 1.4% 증가해 처음으로 85억 톤을 넘어섰습니다. 전 세계 소비량은 2026년에도 80억 톤 이상을 유지할 것으로 전망됩니다.

석탄은 다른 화석 연료보다 훨씬 저렴하고 접근성이 높아 급증하는 에너지 소비 문제를 해결하는 데 필수적인 자원입니다. 석유와 가스와 달리 전 세계 어디서든 풍부하게 존재합니다.

석탄은 고압 파이프라인, 비용이 많이 드는 정제 과정, 혹은 운송 중 보호가 필요하지 않아 다른 고인화성 화석 연료보다 저장 및 운송이 용이합니다. 또한 사용 전에 석탄은 채굴만 하면 되며, 다른 화석 연료는 길고 비용이 많이 드는 정제 과정을 필요로 합니다.

게다가 석탄 매장량은 전 세계에 보다 고르게 분포되어 있습니다. 2020년 1월 기준으로 미국은 세계 최대 석탄 매장량을 보유하고 있으며, 전체 화석 연료 매장량의 거의 90%에 해당하는 약 2,500억 톤을 추정합니다.

저렴하고 접근성이 높을 뿐만 아니라 석탄은 매우 다재다능하여 다양한 공정에 활용될 수 있습니다. 석탄은 전 세계적으로 주로 전력 생산에 사용되며, 실제로 다른 에너지원보다 저렴한 전기를 생산합니다.

미국에서도 석탄은 화력 발전소에서 연소되어 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 이때 발생한 열은 물을 고압 증기로 전환시키고, 그 증기가 터빈을 구동해 전기를 생산합니다. 미국 에너지 정보청에 따르면 2019년 미국 전체 전력의 약 23%가 석탄 화력 발전소에서 생산되었습니다.

이 화석 연료는 철강 및 콘크리트 생산에도 사용되며, 알루미늄과 구리와 같은 다른 금속의 제련에도 핵심적인 역할을 합니다. 석탄 및 그 부산물은 물 필터와 공기 정화 시스템, 항공기 및 자동차 제조, 의약품, 희귀 금속 추출을 위한 화학 공정 등에 활용됩니다.

석탄의 가스화 및 액화 활용 사례도 있으며, 석탄-가스 프로젝트 대부분은 미국과 중국에 집중되어 있고, 호주, 캐나다, 인도, 남아프리카, 인도네시아에도 소수 존재합니다. 석탄은 암모니아, 메탄올, 요소와 같은 화학 원료를 생산할 뿐만 아니라 제지, 섬유, 유리 산업에도 사용됩니다. 탄소 섬유 제조와 함께 실리콘 금속과 같은 성분을 제공하여 개인용품 및 가정용 부품 생산에 활용됩니다.

석탄의 풍부함, 저렴함, 신뢰성에도 불구하고, 업계는 탄소 배출을 제로로 만들기 위한 기술 및 경로 개발이라는 과제에 직면해 있으며, 이는 기후 변화의 요인으로 지목됩니다.

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석탄의 경제적 역할 재평가

전 세계 국가들이 기후 변화에 대한 기여 때문에 다른 에너지 생산 방식을 전환하겠다고 약속함에 따라, 연구자와 과학자들은 석탄을 활용할 다른 방안을 모색하고 있습니다.

화석 연료인 석탄의 경제적 역할을 재평가하기 위해, 대만 반도체 제조 회사(Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company), 국가 에너지 기술 연구소(National Energy Technology Laboratory), 일리노이 대학교 어배너-샴페인 캠퍼스, 그리고 오크리지 국립 연구소가 공동 연구를 진행했으며, 석탄이 차세대 전자 장치에서 수행할 수 있는 핵심 역할을 입증했습니다.

최근 몇 년간 전기적, 광학적, 기계적 특성으로 인해 2차원(2D) 소재 분야에서 많은 연구가 진행되었습니다. 다양한 원자 수준 얇은 2D 소재의 합성은 층별 재료를 위한 새로운 플랫폼을 열어, 미지의 특성을 탐구하고 새로운 기술을 약속합니다.

2D 층상 반도체는 높은 이동도, 저전력 스위칭, 비교적 큰 밴드갭, 대면적 성장 방법 등 특징을 가지고 있어 차세대 전자 제품에 유망한 후보입니다. 이제 석탄이 이러한 전자 제품에 사용되기 위해 실험되고 있습니다.

“석탄은 일반적으로 부피가 크고 더럽다고 생각되지만, 우리가 개발한 가공 기술을 통해 몇 개 원자 두께의 고순도 물질로 변환할 수 있습니다.”

– 이 연구를 공동으로 이끈 일리노이 대학교 재료과학 및 공학 교수 청 차오가 말했습니다.

그는 또한 다음과 같이 언급했습니다:

“그들의 독특한 원자 구조와 특성은 현재 기술 수준을 뛰어넘는 성능을 가진 가장 작은 전자 제품을 만드는 데 이상적입니다.”

이 협업을 통해 연구진은 석탄 차를 매우 작은 탄소 디스크, 즉 “탄소점(카본 닷)”으로 변환하는 공정을 개발했습니다.

연구팀이 보여주듯, 이러한 나노 규모 탄소 디스크는 연결되어 원자 수준 얇은 막을 형성할 수 있습니다. 이러한 막은 2차원(2D) 트랜지스터와 멤리스터와 같은 기술에 활용될 수 있습니다. 연구자들에 따르면, 이러한 기술은 보다 효율적인 전자 제품을 구축하는 데 핵심이 될 것입니다.

전통적인 산업용 탄소(카본 블랙)든 그래파이트와 탄소 섬유와 같은 새로운 산업용 탄소든, 탄소 기반 소재는 재료 과학 발전에 중요한 역할을 하지만, 거시적인 탄소 물질은 적절한 밴드갭이 부족해 효과적인 형광 물질로 활용되기 어렵습니다. 여기서 탄소점(CDs)이 유망한 해결책으로 부상했습니다.

탄소점 또는 CD는 다양한 물리화학적 특성으로 많은 관심과 연구가 집중된 새로운 종류의 탄소 기반 나노물질입니다. 탄소점은 정밀하게 제조되며 보통 10nm 이하의 크기를 가집니다. 이 탄소 기반 나노물질은 작은 크기, 친환경성, 저비용, 낮은 독성, 높은 안정성, 우수한 생체 적합성, 전자 이동도, 높은 양자 효율, 풍부한 기능성 그룹, 강한 흡수, 광발광 및 인광을 포함한 독특한 광학 특성 등을 갖추고 있습니다.

이러한 모든 특성 덕분에 탄소 계열의 이 새로운 물질은 매우 인기가 높으며 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. 포함되는 분야는 다음과 같습니다:

• 센서
• 정보 암호화
• 광촉매
• 발광 다이오드
• 화학 센싱
• 태양전지
• 슈퍼커패시터
• 충전식 배터리
• 생체 영상
• 광치료
• 유전자 전달
• 약물 전달
• 폭발물 탐지
• 나노의학
• 식품 안전
• 위조 방지

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석탄이 차세대 전자 제품에서 중요한 역할을 수행

전 세계의 연구자와 과학자들은 더 작고, 더 빠르며, 더 진보된 전자 제품을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 이는 한두 개 원자 두께의 물질로 만든 장치가 훨씬 빠르게 작동하고 에너지 소비도 크게 줄인다는 의미입니다.

이러한 장치를 위해 초박형 반도체에 대한 많은 연구가 진행되었지만, 트랜지스터와 멤리스터와 같은 작동 가능한 전자 장치를 만들기 위해서는 원자 수준 얇은 절연체에 대한 광범위한 연구가 필요합니다.

재료는 전류를 전달하는 능력에 따라 전도체, 반도체, 절연체로 구분됩니다. 구리, 황동, 강철, 금, 알루미늄 등 전기 저항이 낮아 전기를 쉽게 전달하는 재료는 전도체라고 합니다.

절연체는 유리, 공기, 목재, 플라스틱, 고무와 같이 전기를 쉽게 전달하지 않는 재료입니다. 반면 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 및 갈륨 비소(GaAs), 인듐 안티모나이드(InSb)와 같은 화합물은 전도체와 절연체 사이의 전기 전도성을 가집니다.

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

절연체는 열 흐름을 조절하는 벽면 단열, 열 및 유전 차단을 위한 용광로 단열, 소음 방지를 위한 방음, 가정용 회로 및 상업·소비재의 커패시터에 사용되는 전기 절연 등 다양한 용도로 활용됩니다. 반도체는 거의 모든 전자 기기에 들어 있는 작은 트랜지스터와 햇빛을 전기로 변환하는 태양 전지와 같이 우리 주변에 널리 존재합니다.

절연체에서는 원자가띠와 전도띠 사이의 에너지 간격이 매우 크며(약 15 eV), 반도체에서는 이 간격이 매우 작습니다(약 1 eV).

최근 연구에 따르면, 무질서한 원자 구조를 가진 원자 수준 얇은 탄소 층은 2D 장치를 구축하기 위한 우수한 절연체 역할을 할 수 있으며, 연구팀은 석탄 차에서 유도된 탄소점을 이용해 이를 만들었습니다.

이제 석탄 유래 탄소 층의 잠재력을 보여주기 위해, 연구진은 이를 2D 트랜지스터의 게이트 유전체로 사용했습니다. 반도체인 몰리브덴 디설피드 위에 구축된 이 장치는 기존 대비 두 배 이상 빠른 작동 속도와 낮은 에너지 소비를 달성했습니다.

이 석탄 유래 탄소 층은 기존 3D 절연체 표면에 흔히 존재하는 ‘댕글링 본드’가 없으며, ‘함정’ 역할을 효과적으로 수행해 3D 절연체의 전기적 특성을 변화시켜 이동 전하의 전달을 늦추어 트랜지스터 스위칭 속도에 영향을 줍니다.

하지만 다른 원자 수준 얇은 소재와 달리 새로운 석탄 유래 탄소 층은 비정질이며, 원치 않는 전류가 절연체를 통과해 장치 작동 시 상당한 추가 전력 소비를 초래합니다. 청 차오 씨는 다음과 같이 말했습니다:

“정말 흥미로운 일입니다. 우리가 보통 저기술로 여기는 석탄이 마이크로 전자공학의 최첨단과 직접 연결된 것은 이번이 처음이기 때문입니다.”

연구진이 시연한 또 다른 응용 분야는 멤리스터이며, 이는 데이터를 저장하고 처리할 수 있는 전자 부품으로 인공지능(AI) 구현을 크게 향상시킵니다. 이러한 장치는 전도성 필라멘트를 조절하여 데이터를 저장하고 표현합니다.

초박형 탄소 층을 절연체로 사용함으로써, 연구진은 낮은 에너지 소비로 필라멘트가 빠르게 형성되도록 하여 장치가 고속 저전력으로 작동하도록 했습니다. 또한, 석탄 유래 탄소 층의 원자 크기 고리는 필라멘트를 포획해 장치 작동의 재현성을 향상시키고 데이터 저장 신뢰성을 높였습니다.

이 새로운 장치는 석탄 차에서 유도된 탄소 층이 2D 장치에 활용될 수 있음을 보여줍니다. 다음 단계에서는 협업을 통해 대규모 적용이 가능한 ‘석탄 기반 탄소 절연체 제조 공정’ 개발을 목표로 할 것입니다.

새로운 접근 방식 활용

전 세계가 온실가스 배출 감소에 집중하면서 탄소에서 벗어나고 있는 가운데, 산업 내 지속적인 연구를 통해 탄소를 재평가하면 반도체 제조업체와 같은 다양한 산업이 향후 새로운 형태의 탄소를 활용할 수 있습니다. 이제 이러한 접근 방식을 채택할 수 있는 기업들을 살펴보겠습니다.

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

이 회사는 가장 진보된 공정 기술을 활용하는 세계 최대의 칩 제조업체이며, NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ), Apple (AAPL ) 등 다수의 고프로파일 고객에게 서비스를 제공합니다. 제품 적용 범위는 전기 산업 전반에 걸쳐 있으며, 세 대륙에 걸친 공장을 통해 전 세계적으로 점차 확장하고 있습니다.