‘태양광’이 아닌 ‘인공광’으로 전기를 만든다고?

‘태양광’이 아닌 ‘인공광’으로 전기를 만든다고?

대학생신재생에너지기자단 23기 안윤아

 

[서론]

현대 사회에서는 에너지 문제가 중요한 관심사로 떠오르고 있다. 특히, 건물에서 사용되는 에너지 중에서도 조명이 차지하는 비중이 상당히 높은데, 대한민국의 건물에서는 조명이 전체 에너지 소비의 약 26%를 차지한다. 동국대 융합에너지신소재공학과의 이재준 교수는 인공광전지 기술을 활용하면 현재 미활용 중인 빛 에너지의 20%만 활용해도 1GW급 원자력 발전소 2개에 해당하는 연간 15TW의 에너지를 생산할 수 있다고 밝혔다. 이 기술을 적용하면 도심에서 추가 부지 없이 즉시 활용 가능하며, 재생 에너지와 스마트시티 분야에서의 성장을 기대할 수 있다.

유엔환경계획에 따르면 지구 총에너지 소비 중에서 조명이 차지하는 비중은 약 10%이며, 우리나라는 전체 전력 사용량 중 약 20%가 조명 에너지로 소모되고 있다. 메타에너지 프런티어는 이러한 상황에서 인공광 및 실내광 에너지를 최종 소비 단계의 소모성 에너지로 보며, 조명 에너지의 1%만 재활용해도 연간 약 1TWh의 전력을 추가로 확보할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

또한, 건물에서 발생하는 조명 사용 시의 총 탄소 배출량이 최대 38%를 차지하며 연간 1.9억 톤에 달한다는 점에서, 스마트 조명은 효율적 에너지 관리를 통해 탄소배출을 낮추는 역할도 수행할 수 있다고 강조하고 있다. 이러한 연구 결과는 현재 버려지는 빛 에너지를 인공광전지를 통해 재생 에너지로 활용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

 

[실내광 조건에서의 태양전지 기술 혁신]

동국대 융합에너지신소재공학과의 이재준 교수 연구팀은 인공광전지 기술을 개선하여 실내광 및 인공광 환경에서 광전변환전지의 출력을 최대 63.4%까지 증가시켰다. 이 연구 결과는 「Solar RRL」이라는 광에너지 변환 분야 최고 수준의 전문 학술지에 표지논문으로 선정되었다.

연구에서 사용된 인공광전지인 ALC(Artificial Light Cell)는 화학적 특성이 내재된 가장 화학적이고 독특한 태양전지로, 염료감응형 태양전지의 장점을 실내 및 다양한 인공광 환경에 적용한 것이다. 이재준 교수와 연구팀은 란탄계 나노입자인 SrF2에 프라세오디뮴과 이터븀을 동시에 도핑하여 나노 크기의 입방 구조를 가지는 인광 물질을 최초로 합성하였다. 이 물질은 태양전지의 광전극에 사용되어 광에너지 하향변환을 유도하는 데 활용되었다.

현재 주목받고 있는 차세대 태양광 전지인 염료감응형 태양전지(DSSC)는 기존 실리콘 태양전지의 대안으로 인정받고 있다. 그러나 실내 및 인공광 조건에서 작동하는 염료감응형 광전지(DSPV)의 경우, 낮은 광량으로 인해 광전 변환 효율이 낮아지는 문제가 있었다.

연구팀은 SrF2:Pr3+-Yb3+ 인광 물질을 염료감응형 광전지(DSPV)의 광전극에 도입하여 광전 변환 효율을 최대 63.4%까지 향상시켰다. 이로써 에너지 자립형 웨어러블, 휴대용 스마트 전자제품, IoT 소자 등에 사용되는 광전변환전지의 성능 향상이 가능해졌다.

 

[염료감응형 광전지(DSPV) 와 염료감응형전지(DSSC)]

[자료 1. DSSC의 구조와 발전원리]

출처 : 티스토리

DSPV(Dye-Sensitized Photovoltaics)는 DSSC(Dye-Sensitized Solar Cell)와 염료를 사용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이지만 몇 가지 주요 차이가 있다. DSSC는 태양광을 주로 수집하는 야외 응용에 중점을 두고, DSPV는 낮은 실내 광량에서도 높은 성능을 발휘하는 실내 전자기기와 같은 응용 분야에 중점을 둔다. 또한, DSSC는 주로 햇볕이 강한 환경에서 작동하도록 설계되었으며, DSPV는 다양한 인조 광원에서 효율적으로 에너지를 수확할 수 있도록 최적화되었다. 이 두 기술은 환경 및 응용에 따라 다양한 특성이 있어 각각의 용도에 효과적으로 활용된다.

 

[인공광전지의 에너지 활용 혁신]

DSPV는 실내에서 발생하는 빛 에너지를 활용하는 원리다. 조명에서 낭비되는 빛 에너지를 효과적으로 활용함으로써, 에너지의 재생과 에너지 효율성을 동시에 높일 수 있는 기술을 제시하고 있다. 또한, 건물에서 사용되는 에너지의 상당 부분이 조명에서 소비되고 있는 현실을 고려할 때, 이러한 기술은 에너지 효율 관리에 새로운 가능성을 열고 있다.

이러한 연구와 기술 혁신은 환경 보호와 지속 가능한 발전을 위한 새로운 길을 제시하고 있다. 란탄계 나노입자를 활용한 광전극과 동국대 융합에너지신소재공학과 이재준 교수 연구팀의 인공광전지 기술은 에너지 소비의 패러다임을 바꾸고, 실내 조명을 통한 에너지 생산의 가능성을 열어놓고 있다. 이러한 기술들이 활발히 발전하고 보급되면, 미래에는 더욱 효율적이고 친환경적인 에너지 소스로서 우리의 일상에 자리할 것으로 기대된다.

 

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1. "[디자인과 태양광] BIPV도 다채롭게, 컬러 태양전지 건축재", 작성자(15기 김민서, 20기 서범석),

https://renewableenergyfollowers.org/3564

[디자인과 태양광] BIPV도 다채롭게, 컬러 태양전지 건축재

2. "화려한 태양광발전", 작성자(13기 양재근), https://renewableenergyfollowers.org/2548

화려한 태양광발전

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참고문헌

1) 이현건, 동국대 이재준 교수 연구팀, 고효율 실내광/인공광 전지 개발, 대학지성,

https://www.unipress.co.kr/news/articleView.html?idxno=4674

2) 류용환, [비바100] "버려지는 빛에너지로 환경·절약 두토끼 잡겠다", 브릿지경제, 2023.09.25.,

http://m.viva100.com/view.php?key=20230924010006510

3) 인성희, 완전한 와이어리스 사회를 선도할 ‘인공광전지’, ISSUE MAKER, 완전한 와이어리스 사회를 선도할 ‘인공광전지’, 2021.11.30., https://www.issuemaker.kr/news/articleView.html?idxno=33730