[시사뉴스 정윤철 기자] 과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환) 나노표면재료연구본부 에너지전자재료연구실 임동찬 박사 연구팀 (김소연 박사, 자한다 박사)은 태양광 발전 모듈 연구업체인 ㈜솔라옵틱스와 함께 광섬유를 활용한 광학응용 신소재와 유기물 기반의 태양전지를 융합해 새로운 형태의 태양광 발전 시스템 기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구성과는 기존 태양광 발전설비의 효율을 크게 개선했다는 점에서 해당 기술의 극적인 전환점이 될 것으로 기대된다.
기존의 태양광 발전은 평평한 형태의 패널에 태양광을 수직으로 흡수해 전기를 생산하는 구조를 갖췄다. 이 때문에 면적대비 에너지 효율 측면에서 늘 경제성 문제가 화두가 되어왔다. 현재 태양광 패널이 가진 평평한 형태의 2차원 구조는 빛의 수용성과 최적 각도의 문제로 면적대비 약 24% 수준의 효율과 일평균 3시간 30분 이내에서 최대 효율을 내는 한계가 있었다.
본 공동 연구팀은 광섬유 표면에 나노 크기의 홀을 가공해 빛의 산란을 극대화하고, 산란된 빛을 최대한 흡수할 수 있도록 유기물 기반의 태양전지 구조를 재설계했다. 이를 통해 광섬유 및 수평 형태의 태양광 패널을 수직 형태의 3차원 구조로 배치해 빛을 수용하는 각도에 상관없이 기본적인 효율을 장시간 유지할 수 있게 했다. 태양광 패널의 발전 효율은 물론 태양전지 패널의 최대 효율 구현 시간을 일평균 6시간 이상으로 크게 개선한 것도 물론이다.
이번 연구성과는 측면 발광이 가능한 광섬유를 적용해 기존의 태양광을 실내환경(광섬유-태양전지 하이브리드 시스템)으로 이동시켰다는 특징이 있다. 이를 통해 불안정한 외부 환경으로부터 패널을 안전하게 유지 및 관리하는 게 가능하고, 안정성 또한 향상할 수 있게 됐다. 외부에 노출됐던 기존의 불안정한 환경이 아닌 안정된 내부 환경에 이를 설치함으로써, 열과 먼지, 습도 등 외부 환경에 민감해 그동안 사용하지 못했던 고효율 패널의 채택도 가능해졌다. 향후 다양한 고효율 제품 개발과 양산화를 기대할 수 있다는 평가다.
공동 연구를 진행한 한국재료연구원 임동찬 책임연구원은 “유기물 기반의 태양전지는 최근 20% 이상의 발전 효율을 가진 소재 기술이 계속해서 개발되고 있지만, 시장에서는 유기물이라는 소재의 특성으로 인해 열과 수분 등 외부 환경으로 인한 안정성이 취약할 것이라는 우려가 여전히 존재하고 있다.”라며, “본 기술이 상용화되면 기존 태양광 패널 대비 약 5분의 1 이상 면적을 대폭 줄일 수 있고, 이동형 솔라발전기, 전기자동차, 분산형 발전시스템 등에 획기적으로 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.”라고 말했다.
본 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원으로“국가핵심소재연구단(플랫폼형)/고감도 롤러블 광전소자용 전극소재 및 융합화 공정기술 개발 과제”를 통해 수행됐다.
한편, 한국재료연구원은 유연, 경량, 컬러, 투명 등 다양한 형태의 유기물 기반의 태양전지 기술을 보유하고 있다. 최근에는 자연광뿐만 아니라 형광등, 엘이디(LED)와 같은 실내조명을 이용해 전력 생산이 가능한 태양전지도 함께 개발 중이다. 또한 ㈜솔라옵틱스는 자회사인 ㈜아이거텍에너지를 통해 광섬유 솔라셀용 충방전 배터리 모듈을 함께 개발하고 있다. 양 기관은 본 기술의 상용화를 함께 추진하기로 하고, 고효율 태양광 설비가 세계 최초로 조기 상용화될 수 있도록 노력 중이다. 탄소중립 실현을 위한 정부출연 연구기관과 중소기업의 상생 협력 성공 사례가 될 것으로 기대된다.
