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1. 서론

연료전지는 전기화학적 산화-환원 반응을 통하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 전환하는 발전기기로서, 기존의 1차, 2차 전지와는 달리 외부에서의 연료 공급으로 지속적으로 발전을 할 수 있는 장치이다. 그 원리가 제안된 것은 이미 백 년이 훨씬 넘었고, 엔드유저의 에너지 사용 형태가 전기에너지에 편중되어 있는 현재, 화석연료를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 기술로 촉망받고 있다. 또한, 화석연료의 고갈에 따른 연료의 다변화에도 효과적으로 대응할 수 있는 기술로서 에너지 종속국인 우리나라가 반드시 확보해야할 기술임에 틀림없다. 1950년대 미국의 아폴로 우주선에 알칼리형 연료전지를 탑재한 사실은 이미 잘 알려져 있다. 기술과 소재의 발전과 더불어 연료전지 기술의 대중화 및 실용화의 가능성이 열리면서 20세기 후반 연료전지 기술 개발은 세계적 이슈로 부상하였다. 우리나라에서는 21세기에 들어서면서 연료전지 기술의 상용화와 그 중요성에 대한 정부 차원의 인식과 지원이 본격화되기 시작하였다. 우리나라의 연료전지 기술 로드맵 상에서는 발전용, 수송용, 가정용/상업용 그리고 휴대용 연료전지로 기술을 분류하고 있다. 여기서 ‘휴대용’이라는 용어는 종종 혼동되기도 하지만, 근본적으로 노트북, 휴대전화와 같은 소형 휴대 전자기기의 전원을 의식하고 있고, 한편으로는 휴대 가능한 전원, 충전기의 의미도 포함한다. 산업적으로는 막대한 IT 분야과 맞물려 있고, 기본적으로 2차 전지의 적용 분야가 휴대용 연료전지의 시장이라 할 수 있다. 휴대용 연료전지 시스템으로는 고분자 전해질을 이용한 저온형 연료전지 기술이 개발 대상이 되어 왔고, 그 중에서 메탄올의 고에너지 밀도와 저장의 용이성, 그리고 시스템의 간편함 등을 이유로 직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)가 큰 비중을 차지하고 있다. 미국, 일본 등의 전자기기 기업들이 여러 가지 시제품도 만들어 선보여왔다. 한국에서도 삼성과 LG 등의 대표적 기업들이 시제품을 선보였고, 세계적 추세에 뒤처지지 않게 실용화를 위한 준비를 갖추고 있다. 상용화 시점이 번복되며 늦추어 지는 등의 이유로 최근 연료전지 기술 전반에 대한 회의적인 시각이 부상하기도 하였다. 특히, DMFC는 연료전지 시스템으로서는 효율이 가장 낮은 편이지만, 시스템 구성상 가장 실용화 가능성이 높다고 평가되기도 하였지만, 이 역시 내세울 만한 제품화 사례가 없다고 할 수 있다. 하지만, 꾸준한 기술 개발의 결과로 2000년대 초반에 비하여 현재의 성능은 상당히 향상되었고, 2008년도에 간간히 소개된 DMFC 시제품과 관련 보도들은 ‘드디어’라는 기대를 갖게 할 만한 내용들이 보였다. 본 설에서는 최근 선보인 기술 중 주목할 만한 사례를 간단히 소개하며 DMFC 기술의 상용화에 대한 전망을 점쳐 보고자 한다.

2. 본론

2007년 7월 경 미국 방위성 (Department of Defense, DOD)에서는 ‘개인착용전원’ 경진대회 ('Wearable Power' Prize Competition)를 개최하여 올해 가을에 그 수상자들을 발표하였다 (http://www.dod.mil/ddre/prize/). 수상자인 1~3위 모두 연료전지 기술이었고, 100만 달러 상금의 1위 M-25와 25만달러 상금의 3위 JENNY 600S (그림 1좌)는 DMFC를 이용한 휴대용 전원팩에 수상되었다.

공교롭게도 두 시스템 모두 세계 유일의 DMFC 시스템을 판매하고 있는 독일의 Smart Fuel Cell (SFC)사의 기술이다. 대회 요구사양은 20W 출력으로 96시간 사용, 순간 출력 200W까지 커버하며 4kg 이하의 중량으로 구성하는 것으로, SFC사의 두 제품은 모두 96 시간 표준 테스트 시험 후에도 하이브리드된 배터리가 완전 충전된 상태에 연료도 상당량 남을 정도의 우수한 성능을 나타냈다고 한다 (http://www.fuelcelltoday.com/ 2008년10월6일 자). 이 경진 대회와는 별도로 US DOD는 개인병사용 연료전지의 개발로서 선정된 시제품의 각종 성능 및 안정성 테스트를 수행한 결과를 Small Fuel Cells 2008에 보고한 바 있다. 여기서도 SFC사의 20W급 DMFC 시스템(그림 1아래)이 포함되었는데, 진동, 저온, 분진, 냉동, Sand, 열복사, 고도, 전자파, 우천, 충격, 낙하 등의 각종 테스트 항목을 통과하였으며 기술의 성숙도는 전체 7로 볼 때 6 정도의 수준에 이르러 있다고 보고하였다. 이러한 일련의 보고는 다소 특수성이 있지만 군용으로서 DMFC 시스템은 이미 제품으로 검증받은 상태라 볼 수 있다. 한편, 연료전지 전문 사이트인 Fuel Cell Today는 2008년 5월 12일자로 일본의 토시바는 DMFC의 대량 생산의 계획하고 있으며, 내년 3월까지 생산 시설을 설치할 예산을 책정하고, 향후 3년간 관련 연구 개발에 5천억엔 (한화 6~7조원)을 투입한다는 내용의 짤막한 기사를 보도하였다. 이 내용의 기사는 국내에서 그다지 이슈화 되지 않은 것으로 보인다. 예전에도 세계 유수의 기업들이 상용화에 대한 전망을 종종 밝혀왔지만, 실현된 사례가 없었던 탓에 내성이 생긴 결과라고 할 수 있다. 하지만, 최근 9월말 경 CEATEC JAPAN 2008에서 토시바는 DMFC 시스템이 내장된 휴대전화 W55T 모델과 메탄올 카트리지를 전시하며 (그림 2) 내년 3월 대량 생산 계획을 다짐하듯이 발표하였고(http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080930/158782/), 얼마 남지 않은 크리스마스 이전에 데뷔할 수도 있음을 시사하였다 (http://www.fuelcelltoday.com/ 2008년10월17일 자).
일본의 소니는 2001년 시작품 발표 이후 그간 많은 경쟁기업들이 시제품을 발표하는 동안 풀러렌 (fullerene) 함유 전해질막 등의 소재 개발 내용으로 일색하면서 뒤로 물러서 있는 듯 했으나, 금년 5월 Small Fuel Cells 2008에서 순수 소니 기술로 구성했다는 DMB 폰용 2W급 DMFC 시스템을 선보였다 (http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080502/151310/). 10 ml 메탄올로 DMB 폰 TV 시청을 14시간 할 수 있고, 손바닥에 들어가는 크기로 50g의 초경량을 실현한 것이다. 하지만, 제품화에 대한 계획에 대하여 일절 언급하지 않았고, 아직 고가이므로 개선할 점이 많다는 부연설명으로 정리하였다.

샤프(Sharp)도 2008년 5월 연료전지심포지엄에서 실용화 가능성에 기대를 부풀게 한 시제품을 발표하였다. 기존의 평행 스택 또는 일렬 스택 방식을 탈피하여 신개념 3차원 스택으로 DMFC 시스템을 실현했다 (그림 4). 현행 리튬이온전지 (22cc, 47g)에 비해서도 상당한 경량화 및 소형화 (18cc, 18g, 연료 포함)에 성공하였다 (http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080515/151792/).
미국의 DMFC 기술을 선도하고 있는 MTI MicroFuel Cells사는 개발을 지속해온 Mobion의 제3세대품을 탑재한 충전기 시작품을 발표하였다. 메탄올 카트리지 하나로 25Wh의 전력을 공급(휴대전화기 2차전지를 10회 이상 완충 가능)할 수 있다고 한다. 2009년 말 경 제품화할 계획이라고 한다 (http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20081211/162748/). 과연 어떤 가격으로 책정이 되어 출시될 지 기대를 갖게 한다.
3. 결언

기술적으로 이미 수준에 이른 연료전지 분야에서 종종 상용화의 관건은 가격과 내구성이라는 말을 언급한다. 휴대 전자기기의 경우, 수명이 짧고 사이클이 빠른 편이기 때문에 내구성 요구 측면은 다소 맞추기 쉬운 편이라 할 수 있고, 고가의 귀금속 촉매에서 비롯되는 가격도 절대 사용량이 적기 때문에 또한 요구조건을 달성하기 쉬울 것이라는 점 등을 근거로 연료전지 기술 중 DMFC의 상용화가 선행할 것이라는 전망이 있었다. 휴대 전자기기용 DMFC는, 현재의 성능 수준으로 볼 때, 소형 시스템을 얼마나 효과적으로 구성할 것인가가 상용화의 관건이라 할 수 있을 것이다. 본론에서 소개한 최근의 사례들은 DMFC 상용화가 목전에 도래했음을 시사한다. 우리나라의 경우, 기술을 선도할 수 있는 삼성과 LG 등의 주요 기업이 어느 정도 준비하고 있는지 정확히 가늠할 수 없고, 관련 인프라 구축, 규정 정비, 원천기술 확보 등의 측면에서 볼 때 상당히 아쉬운 점이 많이 있다. 이제 며칠 남지 않은 2009년은 DMFC의 진정한 실용화가 실현이 되는지, 그에 따라 연료전지 분야, 그리고 더 크게는 산업계의 판도가 어떻게 될 지에 대한 기대와 궁금증을 갖게 하는 한 해가 될 것임에 틀림없다.

4. 참고문헌

1) 수소경제 지향 국가 Vision 및 보급목표 달성을 위한 실행방안, 수소 연료전지사업단, 산업자원부 (2004.7). 2) 유망전자기기 부품 현황분석, 전자부품연구원, 지식경제부 (2008.6). 3) US DOD “Wearable Power" Prize Competition, http://www.dod.mil/ddre/prize/ 4) Small Fuel Cells 2008, 세미나 자료집 (2008.5) 5) Fuel Cell Today http://www.fuelcelltoday.com/ 6) Nikkei Electronics http://techon.nikkeibp.co.jp/