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투명한 유리처럼 보이지만
사실은 ‘태양광 패널’

햇빛을 전기로 바꿔주는 ‘태양광에너지’는 실생활에 가장 많이 보급된 친환경 에너지의 마스코트라 할 수 있다.
이제는 선택이 아닌 필수가 돼버린 이 신재생에너지를 거리 위 수많은 유리로 생산할 수 있다고 하면 어떨까?

최민지 칼럼니스트


Silicon Microwire
고정관념을 깬 ‘투명’한 태양전지

다양한 신재생에너지 중에서도 가장 큰 잠재력을 지닌 태양광에너지는 태양광 패널로 점차 확산되면서 가정집 옥상이나 지붕에 설치돼 활용되고 있다. 그렇다면 햇빛이 비치는 창문이나 혹은 자동차 선루프에 태양광 패널을 설치하게 되면 더 많은 에너지를 생산할 수 있지 않을까? 하지만 패널 자체가 불투명한 검은색이기 때문에 채광이 어렵고 보기 좋은 집, 멋진 자동차란 생각은 포기해야 할 것이다. 그러나 어쩌면 가까운 미래에 이런 일이 가능할지 모른다.

UNIST 신소재공학부 최경진 교수팀이 ‘실리콘 마이크로 와이어’ 복합체를 이용해 수십 번 구부려도 성능과 효율을 유지할 수 있는 유연하고 투명한 태양전지를 개발했다. 기존 실리콘 태양전지는 투명하게 만들면 흡수할 태양광이 줄어들어 효율이 떨어졌다. 그러나 최 교수팀이 개발한 태양전지는 ‘투명하고 유연한 고분자 기판’ 사이에 광활성층 역할을 하는 원통 모양의 ‘실리콘 막대’를 이용해 이 같은 문제를 해결했다. 실리콘 막대로 태양광 흡수를 활성화하고 육안으로 확인할 수 없는 간격으로 배치해 우리 눈에는 투명하게 보일뿐더러 유연한 성질도 그대로 유지된다. 태양전지에서는 빛의 흡수나 투과뿐 아니라 반사도 일어난다. 대부분은 반사되는 빛을 활용하지 못하는데, 실리콘 막대의 형상과 배치 구조를 재조합하는 방식으로 막대 윗부분에서 반사된 빛을 옆 막대에서 재흡수할 수 있게 설계했다.

실리콘 마이크로와이어 복합체의 주사전자현미경 이미지
(사진출처-UNIST 홈페이지)


왼쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼,
(오른쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼 중간 부분에 제작된 무색·투명 결정질 실리콘 기판.
(사진출처-UNIST 홈페이지)


이 연구에서 기존 투명 태양전지들이 딱딱한 유리기판 위에 제작돼 응용범위가 제한적이고 중성색이 아닌 다른 색으로 보이는 것 등의 문제점을 모두 해결했다. 최 교수팀은 “한 번 반사된 빛을 재활용하는 구조로 태양전지 전체 효율을 높였다”며 “수십 번의 굽힘 시험을 해도 95% 이상 초기 효율을 유지해 건물이나 차량 유리, 휴대용 전자장치 등에 널리 활용할 수 있을 전망”이라고 말했다.

Green City
도심 전체가 발전소가 된다면?

태양광 발전 기술은 지속 가능한 기술로 발전해 나가기 위해 연구를 거듭하며 기존의 한계를 극복하기 위해 노력 중이다. 이 기술이 가진 잠재적 파급력이 그만큼 크다는 뜻이다. 현재 흔히 쓰이는 태양광 패널은 어두운색을 띠고 있어 활용할 수 있는 범위가 한정적일 수밖에 없다. 하지만 유리에 붙여도 될 만큼 투명한 태양광 패널이라면 건물 창문은 물론 전자 장치의 투명 기판에서도 전기를 생산할 수 있게 된다.

여기서 더 나아가 유연한 소재의 특성 덕분에 휴대용이나 웨어러블 장치 등 적용 가능한 범위가 넓어진다. 특히 에너지 손실이 큰 통유리 건물이 대형 전지가 돼 더 많은 에너지를 확보할 수 있게 된다. 전기차에 투명 태양광 패널을 장착하면 가동 거리가 획기적으로 늘어나고, 휴대폰 배터리에 융합된다면 미적인 요소를 해치지 않으면서 보조배터리 없이 햇볕이 쨍쨍한 날에 자연스럽게 배터리를 충전할 수 있다. 태양전지뿐만 아니라 반도체 등 다양한 전자 분야에도 응용이 가능해 상용화에 따른 경제적 효과에도 기대가 쏠리고 있다. 이처럼 장소를 탐색해 새로운 태양광 발전 시설을 만드는 것보다 도심 속 많은 건물의 유리와 스마트폰 화면, 자동차 선루프 등을 투명 태양광 패널과 접목해 작지만 완벽한 나만의 발전소로 만든다면 경제 성장은 물론 친환경, 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 차세대 친환경 미래가 하루빨리 다가올 것이다.
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