에너지를 투명하게 생산하자.

 

에너지를 투명하게 생산하자.

 

 차세대를 책임질 에너지 기술들은 이제 일상생활에 ‘친근하게’ 접근하고 있다. 바꿔 말하면 태양력, 풍력 등을 비롯한 신재생 에너지들을 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다는 말이다.

 

 맑은 날, 거리를 나가는 경우를 상상해보자. 당신은 도시의 중심부를 지나고 있다. 주변에는 여러 건물이 있고 광고판들이 즐비해있다. 이들 중에는 태양광을 전력원으로 쓰는 것이 있다. 당신은 이제 복잡한 건물 사이를 지나 한적한 공원에 들어간다. 거기에는 작은 벤치가 있는데 자세히 살펴보니 벤치 위에 태양광 패널이 설치되어 있고 벤치에는 휴대폰을 충전할 수 있는 잭이 구비되어 있다. 당신은 벤치에 앉아 휴식을 취하면서 휴대폰을 충전한다. - 이처럼 신재생에너지는 우리에게 더 친근한 모습으로 다가올 것이다.

 

 태양광이 일상생활에 어떻게 녹아들고 있는지 더 알고 싶다면 아래 기사를 참고하기 바란다.

 우리사회는 태양에너지와 얼마나 친해졌을까?

 

 일상에서 쉽게 접할 수 있을 신재생에너지의 활용 방안 중 굉장히 익숙한 것이 하나 있다. 바로 창문이다. “뜬금없이 창문이 왜 나올까?”하고 의아해할 수 있는 사람들을 위해 오늘은 이 궁금증을 해소할 수 있는 기술을 소개하고자 한다. 바로 ‘투명태양전지’다.

 

 투명하다

 

 당신이 건물 안에 있다면 주변의 유리창을 살펴보자. 지금 그 유리창 너머로는 무엇이 보이는가. 맑게 갠 오후의 하늘인가? 아니면 은은한 도시의 야경이 들어오는가? 바깥의 풍경이 어떠한지는 모르겠지만 기본적으로 유리창은 건물 안에서 건물 밖을 볼 수 있는 획기적인 기능을 수행한다. 덧붙여 건물의 미관도 결정지을 수 있다.

 

 또 최근에는 건물의 유리창이 차지하는 비율이 커지고 있다. 가령 큰 유리창을 두고 있는 건물이나 건물 전체가 유리로 뒤덮인 경우 말이다. 이처럼 우리 주변에서 흔히 보이는 유리창이 만일 ‘발전’의 기능을 수행할 수 있다면, 건물 자체가 하나의 소형 발전소가 될 수 있고 이는 획기적인 사건이 아닌가? 이러한 일을 가능하게 할지도 모르는 기술이 바로 투명태양전지다.

 

 투명 태양전지는 말 그대로 투명한(빛을 많이 투과시키는) 전지를 말한다. 기존의 태양 전지를 보면 불투명하거나 반투명해서 건물의 옥상에만 올라가는 한계를 지니고 있었다. 하지만 투명 태양전지는 활용될 경우 건물의 유리창에 얼마든지 쓰일 수 있어 특히 국토면적이 좁은 우리나라에서 에너지를 생산하는데 큰 역할을 수행할 것으로 기대된다.

 

 그런데 한 가지 궁금한 게 생긴다. 투명태양전지는 기존의 것과 다른 어떤 특별한 원리가 숨어있는 것일까?

[사진 1. 벨기에 앤트워프 항구의 건물. 유리로 이루어진 층이 있다.]

출처: 구글 이미지

 

 소재만 다르다.

 

 투명태양전지는 기존의 태양전지와 원리가 같다. 태양전지는 기본적으로 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치로 전기적 성질이 다른 두 반도체(n형, p형)를 접합시키고 빛 에너지를 주어 전지 내부의 전자를 자유전자 상태로 만들고(광전효과라고 한다.) 이 자유전자가 n형의 반도체로 움직임으로써 전기가 생성된다.  

[그림 1. 태양전지의 원리]

출처: 충북 신재생에너지 산업협회 블로그

 

 당연하게도 태양전지는 전지를 구성하는 소재에 따라 실리콘계, 화합물 반도체 등으로 나뉜다. 투명태양전지는 말 그대로 투명한 소재를 이용해 만든 태양전지다. 우리가 흔히 볼 수 있는 건물의 창문은 투명하다. 그런데 투명태양전지 또한 투명하다. 둘 다 투명하다는 성질이 있기 때문에 이를 잘 접목하면 건물의 유리창에서 전기의 생산이 가능해지는 것이다. 이게 바로 일상생활에 신재생에너지가 친근하게 다가온다는 소리다!

 

 어디까지 연구되었나.

 

 듣기에는 좋은 점을 많이 가지고 있는 투명태양전지는 어디까지 연구되었을까. 투명태양전지는 1991년 스위스의 그라첼 박사에 의해 처음 실용 가능성이 대두되었다. 이후 시간이 흐르면서 네덜란드, 일본, 한국 등 여러 나라에서 투명태양전지의 개발이 진행되었고 지금도 계속되고 있다.

 

 그 중 눈여겨 볼만한 성과가 있다. 첫째로는 미국 미시간 주립대에서 개발된 투명태양전지다. 연구를 이끈 리처드 런트 박사팀은 투명한 형태로 태양에너지를 흡수할 수 있는 소재를 개발해 이를 태양전지에 접목했다. TLSC(Transparent Luminescent Solar Concentration)라고도 불리는 이 소재는 유기 염으로 구성되어 있으며 인간의 눈에 보이지 않는 적외선과 자외선을 흡수하고 가시광선은 통과시킬 수 있다. 우리가 감지하는 파장대인 가시광선을 투과시키므로 우리 눈에는 ‘완전히’ 투명하게 보이는 것이다. 연구진들은 이 기술을 휴대용 전자기기나 각종 산업 분야에도 적용이 가능할 것으로 생각하고 있지만, 현재 효율은 약 5%에 그친다. 향후 연구를 통해 효율을 더 올릴 수 있을 것으로 보인다.

[사진 2. 미시간 주립대에서 개발한 투명태양전지]

출처: Awesome Engineering

[그림 2. 가시광선 스펙트럼]

출처: 유튜브(Transparent solar panel developed by MSU absorbs invisible ultraviolet rays)

 

[그림 3. 가시광선을 투과시키는 TLSC 그림]

출처: 유튜브(Transparent solar panel developed by MSU absorbs invisible ultraviolet rays) 

[그림 4. 자외선을 흡수하는 TLSC 그림]

출처: 유튜브(Transparent solar panel developed by MSU absorbs invisible ultraviolet rays)

 

 

 둘째로는 인천대에서 개발된 세계 최고 성능의 투명태양전지다. 연구를 이끈 인천대 전기공학과의 김준동 교수팀은 플라스틱 기판 등의 고체로 막을 제조해 전지에 적용함으로써 기존의 투명태양전지에 비교해 효율을 크게 높였다. 좀 더 자세히 설명하자면 투명태양전지의 소재로 사용되는 산화물 반도체가 가지는 문제점인 반응속도 향상과 전기전도성의 개선을 위해 고성능 p-type의 산화물 반도체인 NiO의 구조적인 특성을 투명태양전지에 적용해 효율을 8%대까지 끌어올렸다. 이 기술을 통해 김준동 교수팀은 국내에서 특허를 얻고 독일 과학 전문지 ‘Advanced Electronic Materials’에 투고한 논문은 VIP Paper로 선정되었다.

  [사진3. 산화물 반도체의 재료 중 하나인 산화니켈]

출처: 청도 Ruiguanya 광업 주식회사

 

 

 끝으로

 

 짧은 기사를 통해 투명태양전지에 대해 간단히 알아보았다. 리처드 런트 교수의 말에 따르면 실제로 투명태양전지가 상용화되어 미국 전체 건물에 적용될 경우 미국 전체 전력 생산량의 약 40%를 충당할 수 있다고 한다. 우리나라가 2030년까지 신재생에너지의 사용 비중을 20%까지 올릴 계획이라는 말과 비교하면 실로 어마어마한 수치가 아닌가 생각한다. 이제 따로 독립된 에너지의 개발은 다 옛말이다. 창문에 적용 가능한 태양전지와 같이 앞으로 우리에게 다가올 신재생에너지는 더욱 편하고 친숙한 형태로 다가올 것이다. 혹시 모른다. 나중에는 태양열을 이용해 체온을 따뜻하게 해주는 옷이 개발될 수 있을지도.

 

 

 참고자료 

 1. Fully transparent solar cell-a transparent luminescent solar concentrator (TLSC) - Awesome Engineering

 2. 유리창 적용을 위한 비정질 실리콘 기반의 투명 태양전지 - 임정욱

 3. 인천대 교수팀 세계 최고 '투명 태양전지' 개발 – 연합뉴스