과거 태양전지 시장이 실리콘 소재를 기반으로 성장해 왔다면 앞으로는 차세대 태양전지가 또 다른 경쟁력을 가질 전망이라는 것이 현재 대부분 업계의 반응이다. 결정질 태양전지 시장은 국내에서도 이미 성숙기에 접어들어 진입이 어렵다는 것이 그 이유. 때문에 태양광 산업에 새롭게 도전하는 많은 기업들은 하나의 틈새시장으로써 차세대 태양전지로 시선을 돌리고 있다.

이러한 차세대 태양전지, 즉 3세대 태양전지로 불리는 유기태양전지나 염료감응태양전지 등은 결정질에 비해 제작비용이 적게 들 뿐만 아니라 외관이 수려하고 플렉시블 디스플레이가 가능해 다양한 소품 등에 적용이 가능하다. 그러나 이 태양전지에게는 상용화에 앞서 풀어야 할 숙제가 있다. 바로 실질적으로 실현 가능한 ‘효율’의 개선이다.

건국대-프라운호퍼 차세대 태양전지 연구소(이하 KFnSC)의 소장으로 활동하고 있는 임찬 교수는 “현재 차례로 발표되고 있는 차세대 태양전지 효율은 주로 실험실 수준의 이상적 환경에서 측정된 효율이 주를 이루고 있어 이들 태양전지에 대한 실질적 활용가능성에 대한 평가가 아직까지 쉽지 않았던 것이 사실”이라며, “KFnSC는 무엇보다 실증실험설비를 활용해 보다 적극적으로 차세대 태양전지의 상용화 기술개발에 노력할 계획”이라며 차세대 태양전지의 밝은 내일을 위한 다부진 포부를 전했다.

글로벌 시각을 키워 더 높은 성장 이뤄

현재 KFnSC에서는 독일 현지의 프라운호퍼 태양에너지 연구소(FhG-ISE : Fraunhofer Gesellschaft Institute for Solar Energy system)와 공동연구 시스템으로 운영되고 있다. 먼저 중장기적인 방안을 통해 실질적으로 진행하고 있는 연구분야는 염료감응 태양전지와 유기태양전지, 그리고 BIPV(건물일체형 태양전지) 부문이 있다.

염료감응 태양전지 분야는 주로 독일 연구소의 Glass Frit 기술을 기반으로 장기적인 안정성에 대한 연구를 진행 중이다. 이는 향후 대형화 기술개발을 위한 주요 기술 요소로, KFnSC는 공정상 실시간 비접촉 평가 기술 등에 대해서 연구 영역을 확대해 나갈 예정이다.

더불어 유기태양전지 분야로는 주로 활성층으로 활용되는 비정질 고분자상 제어에 대한 보다 깊은 정밀분광학적 연구와, 이를 기반으로 한 소자·모듈 구조 최적화 연구개발이 공동 연구의 주요 주제로 다뤄지고 있다. 특히 건국대학교를 기반으로 한 소재 기술과 독일 현지 중심의 모듈 공정 설계 기술이 최적 시너지를 낼 수 있는 방향으로 심화될 예정이다.

이 외에도 KFnSC는 포럼 및 워크숍 등 단기적인 방문 등을 통해 독일측의 선행 연구 결과를 소개 및 토론하는 자리를 가짐으로써 새로운 경향을 파악하고, 참여 구성원들 간의 다각적인 정보교류를 활성화 시키고 있다. 더불어 새로운 추가 공동연구개발 주제에 대한 사전 검토를 지속적으로 수행하고 있으며, 실리콘 기반 태양전지 분야에서도 활용이 가능한 PL, EL 등 광학적 분석법 개발에 대한 구체적인 협의를 진행 중이다.

‘실제 생활에 적용되면 어떨까?’ 실용적인 평가를 위한 연구 진행

무엇보다 KFnSC에서 눈에 띄는 연구 분야는 바로 BIPV의 적용이다. 임찬 교수는 차세대 태양전지가 모듈화 되어 실제 현장에 적용되기 위한 여러 가지 응용성 분석을 진행하고 있다.

KFnSC인 건국대학교 미래에너지관 옥상에는 향후 제작될 서브모듈급 차세대 태양전지의 실증실험을 위해 10여평 규모의 실증실험동을 구축, 비정질 실리콘계 BIPV를 활용한 모니터링 연구를 수행 중이다. 이는 독일측에서 이미 수행한 바 있는 연구개발 결과들과 비교분석이 가능하도록 공동 설계 제작되었다.

특히 태양전지를 활용한 창호의 적용은 현재 업계로부터 많은 관심을 끌고 있다. 차세대 태양전지 창호가 건축물에 실제 적용되었을 경우 미치는 영향들의 분석을 통해 향후 제작 가능한 태양전지 모듈에 대한 좀 더 실용적인 평가를 가능하게 할 것으로 기대된다.

‘첨단’과 ‘완벽’의 조화로 이루어진 연구 환경

현재 KFnSC는 건국대 내 200여평 규모의 미래에너지관을 전용 연구공간으로 확보, 1층에는 핵심장비들의 효과적인 운영을 위한 청정실까지 탄탄한 시설을 구비하고 있다. 특히 1차 청정실에는 200×200mm2 크기의 서브모듈급 차세대 태양전지 제작장비, 인쇄기술적용 실험장비, 각종 박막물성 계측장비, 태양전지 효율측정장비 등이 준비되어 활용 중이다. 이를 통해 재현성이 담보되는 서브모듈급 소자제작과 원활한 실시간 분석이 가능하다.

2차 청정실에는 정밀분석용 광학시스템을 위한 전용 암실이 설치되어 있으며, 현재 도입된 핵심광학장비는 펨토초레이저를 광원으로 활용하는 TA(Transient Absorption Spectrometer) 시스템으로, 소자특성 및 활성 박막 소재 심층 분석을 위한 고도 분석 장비로 활용되고 있다. 2차 청정실에는 향후 상용화 기술개발에 필수적이라 판단되는 Slot Die Coater, Laser Scriber 등 단위공정관련 장비가 도입되어 운영될 예정이다.

사실 이러한 연구 환경의 구축은 일반 대학 내 연구소 차원에서는 화려한 수준이다. 게다가 프라운호퍼 태양전지 연구소의 유치를 위한 서울시의 지원이 있었을 정도이니 시작부터가 남달랐다 할 수 있겠다. 임찬 교수 역시 KFnSC의 완벽에 가까운 연구 환경에 남다른 자부심을 갖고 있었다. 임찬 교수는 “프라운호퍼 연구소의 유치 사업은 단순히 공동연구를 하는 정도의 사업이 아니라 장기 존속이 가능한 공동 연구소를 만들어 가는 것에 집중했다. ‘첨단’이라는 말에 걸맞은 장비운영을 위해 설비 건설 및 장비 도입, 여기에 이를 최적으로 운영해 연구개발 결과를 도출할 우수 인력의 고용을 고려하고 있다”며 향후 연구소의 발전방향을 설명했다.

첨단 장비의 최적 운영이 가능한 인력 확보 급선무

그동안 태양광 분야에 있어 연구개발에 대한 열의가 뜨거워지면서 이를 뒷받침 하지 못하는 제도적 지원, 혹은 시설이나 환경이 문제로 지적되어 왔다. 그러나 임찬 교수는 “사실 국내 대학의 연구개발 환경이 아직 열악하다고는 하나 지난 수년간을 돌이켜보면 눈부신 발전을 해왔으며, 현재의 잠재력 역시 그리 과소평가 되어야만 할 수준은 아니라고 본다”며 긍정적인 시각을 전했다.

물론 그럼에도 불구하고 현실적으로 대학기반 연구소가 국가적으로 중요한 여러 가지 성장 동력 발전에 항상 시기적절하게 기여해 왔는가 라고 묻는다면 임찬 교수 역시 “선뜻 그렇다고 답하기는 쉽지 않다”고 말한다. 그는 “고가의 장비나 설비들은 절대로 시설자체로 운영되는 것은 아니며, 상당한 유지보수 비용이 발생하고, 특히 이들 장비를 최적으로 운영하여 우수성과를 도출할 수 있는 전문 연구 및 지원 인력의 확보가 큰 문제라 본다”며 국내 연구 환경 개선을 위한 방법을 제안했다.

많은 대학 수준에서 지금까지의 방식대로 교수자원이나 석·박사 등 학생자원만을 활용해 이러한 대형 첨단 장비들을 운영하기에는 현실적인 문제들이 발생할 수밖에 없다. 예를 들어 해당 연구원들의 근무 연한제한, 즉 학생의 경우 졸업이나 연구원의 경우 직업적 안정성 등으로 인한 이직 등에 기인하는 연속성의 문제도 심각하게 작용할 수 있다. 때문에 임찬 교수는 “여러 시설의 도입이나 건설 자체를 위한 지원의 증대도 중요하지만 이러한 귀중한 사회적 자산의 최적 운영을 위해, 우수 인력들이 반드시 전임교원의 지위를 보장받지 않아도 장기적으로 이러한 연구소에 근무하는 것이 가능한 구조적 체계를 정비할 필요성이 크다”고 설명했다.

실제 독일의 경우 이러한 박사급 연구소 스태프 및 기술지원직에 대한 사회적 보장이 가능해 장기적으로 안정적인 근무 여건이 형성되어 그 경쟁력을 유지하고 있다. 이러한 체계가 결국 대학의 연구력 유지 강화 및 교육의 내실화에도 중장기적으로 긍정적 효과를 불러오는 하나의 요소로 작용하고 있다.

최고를 향한 또 한번의 도약

올 초 KFnSC는 또 한번의 남다른 도전에 성공을 거뒀다. 바로 태양에너지 전문 커리큘럼을 도입한 ‘미래에너지 계약학과’의 개설을 통해서다. 기업들의 맞춤형 직업교육 체제를 활성화하고자 설치·운영을 대폭 자율화한 이 계약학과 제도는 이미 성균관대학교의 ‘핸드폰학과’의 등장으로 많은 사람들에게 알려지게 됐다. 그리고 드디어 건국대학교에 의해 태양광 분야에도 이 계약학과가 등장하게 된 것이다. 이로써 차세대 태양에너지 연구소는 태양광 전문 인력 확보에 어려움을 겪는 기업들과 태양광 분야의 전문교육을 받고자 하는 학생들 사이의 연결고리 역할을 수행하게 됐다.

사실 현재까지 태양광 분야는 사회적인 수요의 증가에 대응할만한 전문적이고 특화된 교육기관이 부족한 상황이었다. 때문에 태양전지만을 전공하기 보다는 화학과 물리학, 또는 전자공학 등의 교육을 받은 이들이 전문 인력으로 투입되는 경우가 많았다. 그러나 임찬 교수는 “관련 학과의 커리큘럼은 각 분야에서는 훌륭한 석사과정이 될 수 있으나 태양전지과학은 복합적인 전공지식을 적용하기 때문에 제약이 생길 수밖에 없다. 때문에 현장 적용 능력과 학문적 완성도를 갖춘 전문인력 배출을 위한 커리큘럼이 절실한 상황”이라며 미래에너지 계약학과의 설립배경을 설명했다.

현재 KFnSC에는 건국대학교 참여교수진 8명을 포함해 석·박사과정 연구원까지 모두 30여명 이상의 연구원이 참여하고 있다. 뿐만 아니라 독일 연구소 측의 책임연구원급 5명과, 장기 공동연구를 위해 파견된 실무급 연구진 3명도 함께 참여 중이다. 여기에 미래에너지학과를 통해 활발한 정보교환을 이루고 있는 기업 측의 연구원들 및 기타 포럼 참여 관계자 등 모든 직간접적인 참여 인원을 포함한다면 100여명의 연구 인력이 현재 이 KFnSC를 거치고 있다. 임찬 교수는 “연구소 기반으로 개설된 미래에너지학과를 통해서도 향후 의욕적인 석·박사과정 연구원들이 늘어나 주요 연구인력 재원으로 기능하게 되기를 바란다”고 전했다.

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