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변화하는 태양전지의 미래

창문형 태양전지의 개발소식

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By 장성원 기자 Posted21-01-27 23:29 Comments0건
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우리는 흔히 태양열을 생각하면 집 지붕들이나 아니면 사막 한가운데에 있는 어둡고 무거운 덩어리라고 생각한다. 무겁고, 어둡고, 우리 일상에서 흔히 볼 수 없는 것으로 사람들에게 인식된다. 집에 설치하기도 어렵고 힘들게 여겨지고, 비싸고 하찮게 느껴질 수도 있다. 하지만 만약에 더는 태양광들이 그런 전형적인 모습을 버리고 일반 유리처럼 생긴다면? 이제부터 모든 건물, 비행기, 집에서 태양광들을 보게 된다면? 그때는 세상이 어떻게 변할까?

태양광들은 대부분 ‘photovoltaic cells’를 통해 전기를 만들 수 있는데 이 cell들은 대부분 어둡다. 빛에서 나오는 포톤들을 전기로 바꿔야 하므로 빛을 통과시키는 게 아닌 빛 입자들을 통해 전자들을 원자에서 분리하게 시키면서 전기장 만드는 원리로 작동하기 때문에 투명 태양광을 사용한다는 건 어떻게 보면 의아한 발상일수도 있다.

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하지만 투명 태양광들은 TLSC라는 성분을 통해 빛을 전기로 바꾸게 될 수 있게 됐다. 가시광선을 흡수하는 'photovoltaic cell'과 다르게 TLSC는 UV, IR 같이 눈에 보이지 않는 특정 파동들의 빛을 흡수할 수 있는 기능이 있다. 가시광선은 통과시키고 눈에 보이지 않는 파동들을 흡수해서 태양광 끝에 자리 잡고 있는 PV solar cell strips에서 에너지가 전기로 바뀐다.


미시간 주립대의 런트 교수는 투명 태양광에서 약 1%의 효율성을 보인다고 말했고 최대 5%로까지 효율성을 올렸다. 많은 투자에도 불구하고 런트 교수의 노력은 한참 부족하다. 흔히 보이는 태양광들은 약 15~18%의 효율성을 가지고 있는데 이에 비하면 투명 태양광들은 효율성이 매우 낮다. 하지만 인천대의 김준동 교수는 약 10%의 효율성을 자랑하는 연구를 해냈다. 


김 교수의 연구 전에는 투명 태양전지들은 비슷한 효율성이 있었지만 빛 투과율이 20%로밖에 되지 않아 “투명 태양광”은 과대평가된 명칭이었다. Heliatek Gmb이라는 독일 회사도 7.2%의 효율성과 60%의 빛 투과율 에 그쳤다. MIT, Berkeley, MSU 등 명문 대학에서도 80% 이상의 빛 투과율이 있는 태양 전지에서 2% 이상의 효율을 보지 못했다. 김 교수는 빛 투과율이 80% 가 넘으면서도 효율성이 8% 가 넘는 태양전지를 개발했다. 빛 투과율이 80% 이상인 태양전지는 자외선 차단 기능이 있는 유리와 빛 투과율이 비슷하므로 육안으로는 구분할 수 없을 정도이다. 이 TLSC 기술을 핸드폰에 적용했을 때 8%의 효율성으로 5시간 만에 완전히 충전된걸 볼 수 있었다. 대량 생산을 거쳐 시장에 판매될 쯤에는 10%의 효율성까지도 가능하다고 하다. 


일반 태양광들보단 효율성이 낮지만, 활용 용도가 훨씬 다양하므로 비용적으로 더 효율적이라고 볼 수 있다. 투명 태양광들은 창문이 있는 모든 곳에 활용할 수 있으므로 건물, 비행기, 자동차, 주택,핸드폰 어디서든 쓸 수 있다. 예를 들어 뉴욕의 한 50ft by 50ft, 1000ft 고층 건물에서 투명 태양광을 쓴다고 가정하면 투명 태양전지의 효율성이 더 현실적으로 느껴질 수 있다. 만약 투명 태양광이 아닌 일반 태양광들을 활용한다고 하면 옥상에서 2,500 square feet 밖에 활용할 수 없다. 하지만 빌딩의 표면 면적 대부분이 유리인 경우, 1,000 feet x 50 feet, 즉 200,000 square feet의 공간이 생기는 거다. 뉴욕같이 고층 빌딩이 많은 대도시에서는 태양 전지를 활용하면 엄청난 활용도를 얻을수 있다. 연구진들은 “미국에는 50-70억 m^2의 유리가 있다"라고 말했고 그 수치에 의하면 미국 전기의 40%프로를 공급할 수 있을 정도로 안정적이고 깨끗한 에너지 원을 제공할 수 있게 된다. 


투명 태양광의 제일 기대되는 활용 용도는 전기 비행기의 개발에서 찾아볼 수 있다. 항공기들이 화석 연료에서 배터리를 이용하는 전기 에너지를 사용할 수 없는 가장 큰 이유로는 ‘에너지 밀도’의 문제가 존재하기 때문이다. 영국 러프 버러 대학에서 응용 공기역학을 연구하는 던컨 워커 교수에 의하면 비행기에 사용하는 연료의 에너지 밀도는 리튬 배터리 30배로, 연료로 1회 비행에 600명의 승객과 화물을 싣고 1만 5000km를 날 수 있는 항공기도 배터리로 교체한다면 약1000km 밖에 날지 못하게 된다. 같은 거리를 날기 위해 배터리의 양을 추가하게 되면 아예 이륙 자체가 어려워진다. 하지만 투명 전지를 사용하게 된다면 A380 항공기를 기준으로 약 220개의 창문을 활용함으로써 배터리의 낮은 에너지 밀도 문제를 해결하면서 새로운 에너지 원으로 장거리 비행을 할 수 있게 된다. 


투명 전지의 개발은 단순히 디자인적으로만 혁신적인 발명품이 아닌, 화석 연료를 완벽하게 대체할 수 있는 세상을 만들어나가기 위한 성장 단계이다. 미래의 건물, 비행기, 집은 똑같이 생길 수도 있어도 완전히 다른 세상일 수도 있다. 


 


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[인용출처]
https://solarmagazine.com/solar-panels/transparent-solar-panels/
https://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=32187
https://thosesolarguys.com/transparent-solar-panels/
https://news.skhynix.co.kr/1291
[사진출처]
https://solarmagazine.com/solar-panels/transparent-solar-panels/
IT/과학부 장성원 기자
E-mail : sungwon.Chang@sstx.org
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