이 주 야 기자

국내 연구진이 창살 및 한지로 대표되는 한국의 전통 문창호(門窓戶) 구조를 응용한 신개념의 ‘종이 태양전지’를 세계 최초로 개발하는데 성공했다. 침체된 태양광 산업의 한계를 넘어 새로운 태양전지 시장을 개척할 기술로 평가되며 해외 과학계로부터도 관심을 끌고 있다.

한국전기연구원 창의원천연구본부 이동윤·차승일 박사팀은 나노기술과 섬유기술을 접목, 가벼우면서도 마음대로 구부릴 수 있고, 다양한 형상으로 제작이 가능하며, 가격도 저렴한 새로운 형태의 유연(Flexible) 염료감응 태양전지를 개발하는데 성공했다고 2월 28일 밝혔다.

이는 유연성이 없는 기존 실리콘 태양전지나 유리기판 및 금속기판을 사용해 유연성이 있더라도 굽힘에 한계가 있는 박막 태양전지의 한계를 극복한 것으로 특히 내구성과 통기성을 동시에 지닌 한국의 전통적 문창호 구조를 지닌 것을 특징으로 하고 있어 주목을 끌고 있다.

기존 유연 태양전지 한계 극복

이 새로운 구조의 태양전지는 기존의 ‘유연 태양전지’가 갖던 기술적 한계를 극복했다. 기존 유연 태양전지가 기판을 포함한 소재와 구조의 문제로 유연성에 한계가 있는 반면, 이 박사팀이 새로 개발한 태양전지는 금속격자, 세라믹종이와 나노섬유를 사용하고 구조를 개선함으로써, 가볍고 내구성이 있으면서도, 종이처럼 구부러지는 특성을 지니고 있다. 아울러 가격이 저렴하고, 모바일 기기나 건물의 창문 등에 부착하거나 의복에도 탈부착이 가능해 새로운 태양전지 시장을 열 것으로 기대되고 있다.

최근 태양광발전 분야는 지금까지 주로 이용되던 태양광발전소가 토지의 과대한 이용 문제나 환경적 요인으로 설치가 제한을 받고 있고, 중국의 저가 공세에 따라 국내외 시장의 확대에 큰 어려움을 겪고 있다. 이는 원자력에 의존하는 국내 에너지시장을 대체할 유력한 신재생에너지원으로서 태양전지의 사용을 확대하는데 큰 장벽이 되고 있다. 이를 극복하기 위해서는 건물에 쉽게 설치가 가능하거나, 자동차를 포함한 모바일 기기 및 해양용과 같은 다양한 목적으로 사용이 가능하도록 뛰어난 기능성(가볍고, 다양한 형상으로 제작이 가능하고, 유연하여 적용성이 우수하고, 아무 곳에나 쉽게 부착이 가능한 특성)을 갖춘 새로운 태양전지의 개발이 절실하다. 이번에 KERI 연구팀이 개발한 종이형 유연 태양전지는 이러한 요건을 모두 만족하고 있어, 다양한 모바일 기기뿐 아니라 건물용, 군사용, 해양용 등 다양한 목적으로 사용이 가능해 큰 시장 확대가 기대되고 있다.

나노 세라믹 종이, 중앙집중형 설계로 문제 해결

기존의 유연 태양전지는 기판의 한계 때문에 굽힘 반경이 30cm를 넘는 것이 보통이고, 내구성에도 큰 문제를 지니고 있다. 또한 염료감응 태양전지의 경우 나노 티타니아(Titania :  산화타이타늄)가 입자로 구성되어 굽힘을 받을 때, 균열이 가서 내구성이 크게 나빠지는 경향이 있다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 나노 티타니아를 입자의 형태가 아닌 긴 섬유로 뽑아내고, 이를 이용해 전통 한지와 같은 나노종이를 만드는데 성공했다. 이렇게 제조된 나노종이는 내구성이 있고 자유로이 휘는 것이 가능해 근본적으로 균열의 문제를 제거할 수 있었다. 기존의 플라스틱 기판을 없애기 위해서 스테인리스 강선의 표면을 특수 처리해 한지의 문살에 해당하는 도전성(전기가 통하는 성질) 금속메시를 제작했고, 또한 액체전해질이 마음대로 퍼져나가지 않으면서도 태양전지의 강도를 유지할 수 있도록 유리섬유로 만든 유리종이를 부착했다. 이렇게 만들어진 각 부품을 모두 연구팀이 특수하게 제작한 세라믹접착제를 이용해 접합함으로써, 최종적으로 기판이 필요 없고, 내구성이 우수하고 마음대로 굽히는 것이 가능한 태양전지 제작에 성공했다.

연구팀은 이번 연구 성과와 관련해 4건의 특허를 출원했으며, 해당 기술성과는 에너지 환경 분야의 세계 저명 학술지인 ‘에너지 앤 인바이런먼털 사이언스(Energy and Environmental Science)’의 이슈논문으로 선정되어 무료 공개되고 있다. 또한, 영국왕립화학회에서 발간하는 ‘케미스트리 월드(Chemistry World)’에도 소개되어 해외 학계의 많은 관심을 받고 있다.

한국전기연구원은 현재 10년 이상의 연구개발 경험을 통해 국내 염료감응 태양전지 분야를 선도하고 있으며, 2004년 세계 최초로 탄소나노튜브를 이용한 염료감응 태양전지의 개발에 성공했고, 태양전지와 관련해 3건의 기술을 기업에 이전한 바 있다. 연구팀은 이번에 개발한 기술을 한층 발전시켜 양산화에 유리한 신공정 및 소재의 개발을 진행 중에 있으며, 조기에 기업에 기술을 이전할 계획이다. 양산화에 성공 시, 태양전지의 가격은 와트당 0.5달러로 기존의 Si 태양전지의 절반 이하가 될 것으로 추정되며, 효율은 상용화가 가능한 3% 수준을 넘어 최대 5%까지 가능할 것으로 예상된다.

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