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- 나노섬유를 이용한 전통 창호 닮은 종이형 유연 태양전지 개발
- 이동윤 박사(한국전기연구원 나노융합기술연구센터)
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keri.re.kr - : 한국전기연구원
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안녕하세요. 메트릭 회원 여러분!
태양전지는 태양광선의 조사(照射)에 의한 에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 반도체 장치입니다. 1958년 실리콘 태양전지가 인공위성에 처음 전원(電源)으로 사용되면서 활발히 연구가 시작되었는데요. 그 이후 여러 가지 반도체 재료를 가지고 다양한 태양전지를 만들고 있습니다. 특히 이번에 개발한 태양전지는 기존의 실리콘이나 유리기판 등으로 제조된 태양전지들과는 달리 매우 가볍고, 쉽게 구부러지는 특성이 있어 활용분야도 무궁무진할 것으로 전망되는데요. 나노섬유를 사용해 종이처럼 휘어지는 태양전지를 개발 하신 한국전기연구원 나노융합기술연구센터에 계시는 이동윤 박사님을 직접 만나 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.
1. 박사님이 계신 <나노융합기술연구실>에 대해 간략한 소개를 부탁드립니다.
- 나노융합기술연구센터는 한국전기연구원에서 차세대 전기원천기술을 개발하기 위해서 만든 센터입니다. 저희들이 연구 하는 것은 나노를 기반을 두는 재료들인데요. 태양전지라든지, 그래핀과 같은 최신 나노 탄소계 소재들, 각종 나노를 포함한 새로운 신종 여러 가지 재료들을 합성하는 것을 연구 하고 있습니다.
2. <종이형 유연 태양전지 또는 탄소나노튜브를 이용한 염료 감응형 태양전지>에 대해서 구체적으로 모르시는 분들이 많이 있을 것 같습니다. 또한 한국전통 창호구조를 모방하였다고 하는데 과연 어떠한 기술인지 자세한 설명을 부탁드립니다.
- 지금은 보통 태양전지는 P-N접합 반도체 기반(1)의 방식입니다. 저희들이 개발한 것은 연료 감응을 기반으로 전기화학적 태양전지인데요. 실질적으로 반도체를 이용하는 태양전지들은 여러 가지 응용범위 면에서 많은 단점이 있습니다. 눈부심, 단단한 정도, 무거움 등의 단점 때문에 다양한 곳에 적용하지 못하는데 저희들은 응용범위를 넓히기 위해 섬유와 같은 형태로 만들려고 노력했습니다. 그래서 그 과정에서 어떻게 만들면 좋을 것인가 고민을 많이 하다가 우리나라 전통 문창호 구조로 착안하게 되었습니다. 문창호 구조는 문살이라는 간단한 프레임이 있고 그 속에 한지라는 종이가 들어있는데, 한지의 특성이 공기를 마음대로 투과시키기 때문에 이런 방식이 저희들의 의견과 맞았습니다. 전기화학적인 태양전지는 안에 있는 여러 가지 용액들이 마음대로 투과해야하며 강도도 있고 유연해야 되기 때문에 창호구조가 적합하다고 생각했습니다. 처음에는 창호구조보단 한지에 초점을 맞췄습니다. 한지가 안에 질긴 펄프로 되어 있기 때문에 마음대로 구부리면서도 제법 강도가 있습니다. 그래서 세라믹을 한지처럼 만들면 유용한 태양전지를 만들지 않을까 해서 개발을 시작하게 되었습니다. 실제로 연구를 하다 보니 문살구조가 굉장히 중요했습니다. 왜냐하면 문살이라는 구조를 통해서 전기의 통로가 되고 강도도 유지하며 최종적으로 문창호 구조 전체적인 개념을 다 사용하는 새로운 섬유태양전지를 만들게 되었습니다.
3. 종이형 유연 태양전지는 의류나 가방 등에 쉽게 부착이 가능하기 때문에 공장이나 가정용보다는 개인보급형으로도 의미가 클 거 같습니다만 어떤 제품을 만들 수 있고 어떻게 활용할 수 있을까요?
- 종이처럼 섬유를 만들면 마음대로 구부러짐과 동시에 굉장히 가볍고 얇습니다. 그렇기 때문에 기존의 태양전지가 무게나 단단한 정도가 굉장히 문제가 되어서 사용하지 못했는데, 섬유는 의류에 붙여 놓을 수도 있고 섬유 친화적이기 때문에 기존의 태양전지가 생각하지도 못한 곳에 사용 될 수 있습니다. 예를 들면 비닐하우스에 기존의 태양전지는 무거워서 못 올렸는데 저희가 개발한 것은 플라스틱 필름이기에 가볍게 올릴 수 있으며, 곡률이 있는 기기에는 평평하게 펴서 붙이기에 모양과 면적이 한정되어있습니다. 그렇지만 이 기술은 마음대로 휘어지기 때문에 곡률이 있는 기기에도 마음대로 붙여 굉장히 넓은 면적을 사용할 수 있습니다.
당장 이용 할 수 있는 곳에는 모바일이라 생각됩니다. 어떤 형태가 될지 모르겠지만 옷에 부착되어있으면 휴대폰을 충전해서 쓸 수도 있고 그렇지 않으면 차세대 기술 중에 옷에 각종 센서를 많이 부착이 되는데 기존에는 배터리를 써서 배터리가 방전이 되면 충전해야하는데 지금 같은 경우는 바로 옷에 섬유의 일부로서 태양전지가 부착이 되기 때문에 먼저 이용되지 않을까 생각이 듭니다.
4. 에너지 효율 면에서 장점이 큰데 어떠한 원리에 의해 되는 건가요?
- 저희들이 개발한 태양전지는 이론 효율이 30%나 됩니다. 굉장히 좋을 것 같은데 현재로써는 개발 초기이기에 효율이 3%밖에 되지 않는데 제가 보았을 때 태양전지의 효율은 계속 올라가게 되어있습니다. 시간이 지날수록 이론효율에 점점 가까워지는 추세이기에 지금 효율이 낮아 좀 제한이 있겠지만 나중에 효율이 올라가면 면적을 크게 올릴 수도 있고, 나노 기반으로 되어 있는 전지의 장점으로 아주 작은 광량에도 민감하게 반응합니다. 지금 반도체 방식의 태양전지들은 어느 특정이상의 값이 지나야만 발전이 시작되는데 저희 나노 태양전지는 약한 빛에서도 항상 발전이 일어납니다. 빛이 있는 곳에서는 항상 발전이 이루어지기에 효율 면을 떠나 실제 활용 면에서 굉장히 높다는 의미가 있습니다.
5. 염료감응 태양전지는 에너지 효율이 좋으면서 가장 저렴하게 만들 수 있는 장점이 있기 때문에 가장 발전된 태양전지의 모습인거 같습니다만 현재까지 개발된 태양전지는 어떠한 종류가 있고, 앞으로 어떻게 발전될 것이라고 생각하시는 지요?
- 태양전지를 대표하는 것이 실리콘 태양전지인데요. 실리콘 태양전지는 조금 있으면 상용화 효율이 20% 가까이 가게 됩니다. 실리콘 태양전지는 대규모 발전용으로 실리콘 태양전지가 가장 이상적입니다. 지붕 위에 올리는 것들은 실리콘 태양전지 이상 가는 것이 없습니다. 그런데 실생활에 들어오게 되면 각종 기기들은 항상 이상적으로 태양을 받지를 못합니다. 태양광을 받는 시간이 굉장히 일정하지 않고, 숲에 들어가거나 그늘에 들어가면 얼룩덜룩해서 빛이 들어오지 않는데 활용적인 측면에서는 실리콘 태양전지보다 새로운 태양전지가 나와야 하는데요. 그러한 목적으로 나온 것이 박막 태양전지입니다. (따라서) 실리콘 태양전지도 있고 CIGS 태양전지도 있으며 앞으로 미래에서는 가장 효율적인 것으로 유기계 태양전지일 것입니다. 그래서 저희들이 하는 염료감응 태양전지라던지, 플라스틱 태양전지들은 기반이 페인트 방식으로 간단하게 만들 수 있는 것이기 때문에 굉장히 활용도가 높아집니다.
다른 나라의 경우 궁극적인 태양전지는 미국은 유기태양전지로 보고 있고 일본은 염료감응 태양전지로 보고 있습니다. 왜냐면 이론효율이 높고 가장 가볍고 명도가 크다고 보기 때문입니다. 하지만 대규모 발전은 실리콘 태양전지가 계속 이어질 것 같습니다. 즉 태양전지는 앞으로 용도에 따라서 각각 다른 종류를 사용되게 될 것 같습니다.
6. 반도체는 우리나라가 생산 공정이나 기술력에서 앞서나가고 있다고 생각하는데, 최근 발표된 뉴스를 보면 미국 퍼스트솔라 제조업체가 1위에 등극하고 대부분 중국이 선점을 하고 있는 상황이라고 합니다. 박사님께서 바라보시는 태양전지산업에 대한 국내상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면.
- 태양전지 시장이 중국 때문에 상당히 곤란스러운 측면이 있는데요. 중국은 실리콘 태양전지 쪽으로 주력하고 있습니다. 왜냐하면 중국은 굉장히 넓은 지역이기 때문에 광활한 지역, 특히 사막 같은 곳에서 사용하기 위해 실리콘 태양전지를 중심으로 해서 적극적으로 보급을 하였습니다. 유럽이나 미국은 중국의 물량공세부분을 이길 수 없기 때문에 기술로 승부하기로 위해서 박막태양전지를 연구하였습니다. 그리하여 미래기술은 결국 마지막 태양전지는 박막으로 가게 되어있습니다. 왜냐하면 실리콘 태양전지의 기반은 생산단가나 생산할 때 실리콘 웨이퍼를 만들고 하는 과정에서 워낙 많은 에너지가 들기 때문에 실리콘 태양전지는 사실 이득이 없습니다. 그렇기 때문에 결국은 박막 태양전지로 나아가게 되어 있습니다. 현재 박막 태양전지는 중간단계로 보고 마지막에서는 나노 기반의 유기태양전지 분야로 나아갈 것입니다. 그래서 우리나라도 그런 측면에서 박막 태양전지를 적극적으로 연구하고 있습니다. 실리콘 태양전지는 개발하여도 결국 중국의 벽에 부딪쳐 안 될 것이라 예상되어 현재 전 세계적으로 태양전지 시장은 붕괴 직전에 있습니다. 중국의 저가 공세에 의해 수익을 내지 못하기 때문에 퍼스트솔라(firstsolar)도 현재 매각에 들어갔고요. 2009년도까지 세계 1위하던 독일의 큐셀(Q-cells)이 지금 청산절차를 밟고 있습니다. 우리나라도 예외가 아닌데요. 그러므로 시장이 재편이 될 때 누가 살아남았냐가 매우 중요하고 누가 기술이 가장 좋은가가 문제입니다. 현재는 조금 힘들지만 태양전지로 차세대 원천기술개발에 집중해야할 시점입니다. 세계 태양전지 시장이 다 정리가 될 쯤 그때 우리가 독보적인 기술을 제시해야만 한국 태양전지 기술 분야가 살아날 수 있습니다.
7. 태양전지의 기술 개발도 매우 중요하지만 국제표준화로서 인정받기 위해서는 많은 행정적인 노력도 동반되어야 할 것 같습니다. 국제표준화를 받기 위한 현재까지의 진행 상황과 문제점은 무엇인가요?
- 국제 표준화 관련해서 실리콘 태양전지는 표준이 있습니다. 박막 태양전지는 사실상으로 상용화 된 것이 하나도 없다고 보시면 됩니다. CBT나 퍼스트 솔라가 개발한 것들이 있는데 그런 것들은 환경적인 유해성이 제시 되어 시대적으로 궁극적인 미래기술로 보긴 어렵습니다. 그러하기에 문제가 되는 것이 표준화 자체도 진행이 되지 않고 있습니다. 왜냐하면 어떠한 방향이 주력이 될 것인가가 정해져야만 거기에 따라 표준화란 작업이 이루어지는데 지금은 전혀 그러한 방향이 안정해져 있기 때문에 표준화가 (박막 태양전지에는) 없고 현재로 저희가 (개발한) 박막 태양전지 경우는 미국 ASTM(2) 규격에 있는 박막태양전지 기준을 따르는데 거의 실리콘 기반에 바탕을 두고 만들어지는 거나 다름이 없습니다. 그래서 표준화 관련해서는 어떠한 기술을 선점하는 것이 가장 중요합니다. 확실한 차세대 (태양전지)기술을 가져오는 사람이 표준화까지 가능하다고 생각됩니다. 현 단계에서는 제가 볼 때 어느 누구도 표준화를 제시할만한 수준이 아니라고 생각됩니다. 지금까지 시도는 많이 하고 있지만 박막 태양전지의 표준화 방향은 아직 안개 속 인 것 같습니다.
8. 박사님께서 개발하신 태양전지에 대한 특허과정이 있지 않습니까? 지금 그 특허과정에 대해선 진행상황이 어떻게 되어가고 있습니까?
- 저희들이 처음에 관련 소재를 개발하면서 특허소재를 하나씩 내고 있고, 신체에 태양전지에 대한 특허도 출원했고 국내특허는 출원을 마쳤고, 국제특허는 출원중입니다. 관련 특허를 보완하는 작업을 계속 하고 있습니다.
9. 특허를 출원하는데 있어서 문제되는 점은 없으신지요?
- 특허를 출원하는데 있어 문제는 국가적으로 해결해야 할 문제인데요. 이 부분은 국제적으로도 문제됩니다. 개념 특허라는 게 있는데 실제로 만들어 보지 않고 머릿속에서만 만들어서 제출한 사람들이 있는데요. 그 사람들은 그것이 될지 안 될지 실제로 모르고 실현 불가능한 상태로 제출하는 경우가 많습니다. 이러한 특허들이 현재 문제가 되고 있습니다. 따라서 미국경우는 그러한 특허들에 대해서 충분한 기술적인 기반이 없는 상태면 인정을 해주지 않는데 우리나라는 선출원주의기 때문에 (개념만 성립이 되면) 출원을 내어 주기에 오히려 (개념특허의) 뜻밖에 상황에 걸렸던 경험이 있습니다. 우리나라도 단순한 것들이 아닌 정말 검증된 상태에서 특허가 나갈 수 있도록 작업이 계속 이루어져야 한다고 생각합니다. 이제 저희들이 제시할 것은 그 사람들의 절대 될 수 없는 개념을 우리들이 기술적으로 제시를 해주어야 한다고 생각합니다.
10. 태양전지가 어떻게 개발이 되며 그 과정과 더불어 어떤 소재로 개발이 되는지 궁금합니다. 구체적으로 설명 부탁드리겠습니다.
- 기존의 염료감응 태양전지는 유리 기판에 나노 DIO2 막이 올라가있고 안에 염료가 들어있습니다. 그 안에 또 전해질이 들어가고 반대편에 상대전지가 있는 구조로 되어있습니다. 이런 상태에서 상용화가 지연되는 이유는 기판을 두 장을 사용하는데 재료들이 전부다 아주 이질적인 특성을 가진 재료들을 결합 하는 과정에서 안에 있는 전해질이 새지 않도록 하는데 실패했습니다. 안에 있는 전해질이 아주 강산이다 보니 문제가 되는데 이런 상태로 계속 가게 된다면 상용화에서 문제가 계속 발생할 것입니다. 그러므로 문제점을 극복하기 위해 음극, 양극 두 장의 기판에 있는 각종재료가 인쇄되어있는데 인쇄하지 않고 안에 있는 요소들을 모두 가운데 모아버리면 기판이 없이도 만들 수 있지 않겠는가에 초점을 맞췄습니다. 문창호 구조라고 이야기했는데요. 문살을 보면 (모듈을 보면) 안에 금속 전극들이 일렬로 들어가게 됩니다. 여기에 해당하는 문살을 바로 만들어 버리고, 금속 Mesh로 프레임 역할을 하는 것으로 표면에 음극처리를 하고 반대편에 양극처리를 해서 접합해버리면 기판을 쓰지 않고 만들어질 수 있다고 생각했습니다.
기술의 핵심은 유연성을 주기위해 섬유로 만들어야하는데 섬유를 만드는 것이 굉장히 어렵습니다. 이것은 세라믹 섬유로 만들어진 솜인데요. 일반적으로 나노 세라믹을 섬유로 만드는 기술은 없는 기술이 아닙니다. 다만 태양전지에 적용을 못하고 응용범위가 굉장히 제한되어 기술을 이용하지 못했습니다. 첫 번째는 만드는 공정상 어쩔 수 없이 폴리머(polymer)와 같이 제작을 하는데 거기에 들어있는 것이 절연체다 보니 여러 가지 문제가 발생해서 순수한 세라믹을 쓰는 태양전지는 쓸 수가 없었습니다. 두 번째는 솜처럼 만드는 기술이 쉬운 기술이 아닙니다.
저희들은 이러한 바인더(binder)를 쓰지 않고 단숨에 솜으로 만드는 기술을 개발했습니다. 이게 한쪽면의 전극입니다. 반대편에 전극을 붙여야 하는데 음극과 양극은 두 개가 절연되어야 하는데 절연이 되지 않고 합치면 쇼트가 나서 쓸 수가 없습니다. 그러므로 절연이 되기 위해서 저희들이 유리로 만든 종이를 이용했습니다. 한쪽에서는 저희들이 DiO2로 만든 섬유와 유리종이를 한쪽에 대고 다른 한쪽에 백금을 코팅해서 붙이는데 이 세 개가 붙이면 될 것도 같은데 잘 되지 않습니다. 이것은 보통 기술이 아닙니다. 이것을 붙이는 접착제도 같이 개발했는데요. 접착제는 일반적으로 폴리머(polymer)인데 폴리머는 전기가 통하지 않습니다. 그러한 접착제를 써서는 태양전지가 만들어지지 않습니다. 그래서 전기가 통하는 세라믹 접착제를 개발했습니다.
그러므로 이런 식으로 만들었을 때 안에는 유기물성질이 하나도 들어가지 못합니다. 완전히 세라믹을 이용해서 종이를 전부다 만들었기 때문에 보기에는 종이인데 재료 자체는 우리가 생각하는 세라믹으로 되어있습니다.
플라스틱으로 패키지만 해주면 되는데 근본적인 차이는 태양전지가 만들어진 상태이기에 안에 전지가 새지 않도록 밀봉만 해주면 그만입니다. 그런 방식으로 만들어 졌기 때문에 실링(sealling)이 자유롭게 된 것이 굉장히 큰 장점입니다.
11. 친환경 에너지에 대한 관심이 많이 높아진 상황입니다만. 아직 태양전지가 일반적으로 실용화되고 보급되지는 못하고 있는 거 같습니다. 태양전지가 일반인들에게 실용화되기 위해서 어떤 한계를 극복해야 할까요?
- 에너지 효율이 낮아서 그런 것이 아니고 원천기술이 등록이 안 되어서 상용화가 되지 않아 그렇습니다. 이런 섬유유연 태양전지는 효율이 3%만 나와도 굉장히 높은 효율입니다. 그래서 만약에 5%가 넘으면 시장이 어마어마하게 높아질 수 있습니다. 3%만 나와도 상용화 되는 것에는 전혀 문제가 없습니다. 이게 상용화되는데 문제는 업체에서 양산공정을 개발해야 하는데 기존 기술에 없는 공정이여서 기존의 장비를 새로 개발되기 때문에 그것만 극복이 된다면 상용화가 될 것 같습니다.
- (1) P-N 접합방식: P형 반도체를 기본으로 하여 그 표면에 불순물을 확산시켜 N형 반도체 층을 형성함으로서 P-N 접합을 생성하는 방식을 말한다. 현재 사용하는 태양전지의 대부분인 실리콘 태양전지로써 기본적으로 P-N 접합의 구조를 이루고 있다.
12. 마지막으로 박사님의 태양전지 연구를 하기 위해서는 선행되어야 하는 공부는 어떤 것이 있으며 박사님의 연구를 하려면 어느 부분을 집중적으로 공부해야 할까요?
- 태양전지라는 것은 하나의 기술로 이루어지는 것이 아니라 융.복합 기술입니다. 당장 들어가는 과목이 재료, 전기, 화학, 물리, 기계 등등 온갖 요소들이 다 들어갑니다. 그렇기 때문에 한 기술을 가진 사람이 혼자서 태양전지를 만든다는 것은 불가능하고 다양한 기술을 가진 사람들과 공동 팀을 만들어서 해야 되는데 자기의 주력을 어디로 선정하느냐가 가장 중요합니다. 가장 핵심적인 부분은 전기화학을 잘해야 합니다. 그리고 소재, 재료에 대해서 조금 깊이 있는 공부를 하실 필요가 있습니다. 간단한 아이디어로 구현될 수 있는 제품이 나오는 시대는 이미 지났습니다. 원리적인 측면으로 들어가서 메커니즘(Mechanism)을 이해하고 새로운 메커니즘을 만들어야 합니다. 단순하게 그냥 연구를 계속해서 이물질 저물질 섞어서 결과가 나왔다 이것이 아니고 새로운 구조를 지금까지 알려지지 않은 어떤 메커니즘이 있도록 그 메커니즘을 어떻게 규명해서 어떻게 만드느냐 그런 개념들이 들어가 있어야합니다.
힘드시더라고 목표가 있으신 분들은 좀 더 깊이 있는 공부를 하셔야 합니다. 단순하게 이해하고 적용하기 위해서는 전기화학적인 원리, 태양전지에 관한 책들을 많이 읽으시면 됩니다. 좀 더 깊이 있게 들어가기 위해서는 자기만의 특화된 지식이 필요합니다. 저 같은 경우는 기반이 양자화학과 결정구조 SG 이기 때문에 소재를 새로 합성하고 신 물질을 만드는 데에서는 분자수준, 원자수준에서 고려를 하는 면이 있습니다.
13. METRIC 회원 분들과 기계공학을 전공하는 학생들에게 한마디 부탁드립니다.
- 저도 원래 대학교 들어갈 때 기계 계열로 들어갔기 때문에 저도 기계공학을 많이 공부를 했습니다. 기계라는 것이 전통적인 것을 넘어서서 새로운 기술을 많이 들어가면서 굉장히 많은 기술들이 융합이 되고 있습니다. 기계에다 전통적인 기계기술이 아닌 좀 더 첨단의 기계를 하기 위해서는 기계하시는 분들에게 부탁드리고 싶은 것은 다른 분야의 공부를 좀 더 깊이 있게 하시는 걸 부탁드리겠습니다. 제가 기계공학을 하다가 재료로 넘어가고 물리도 하고 여러 가지 공부를 해보니 기계공학 하신 분들은 다 잘 하실 수 있습니다. 특히 재료나 나노재료 이런 쪽은 기계공학에서 접근하면 굉장히 재밌는 부분이 많습니다. 태양전지 분야도 태양전지가 휘어지는 때 응력이 발생하는 부분의 해결에 있어서는 소재분야의 사람들은 접근이 안 됩니다. 구조적인 설계의 태양전지, 응력을 분산시킬 수 있는 나노 수준으로 들어가서 기계적인 방법을 통해 해결 하는 것에서는 기계를 전공하는 분들이 굉장히 좋은 도전이 되리라 생각합니다. 태양전지가 상당히 재료적인 것이지만, 기계하시는 분들이 조금만 관심을 가지면 정말 할 일이 많기 때문에 한번 도전해보시길 권고 드립니다.
- (2) 미국재료 시험협회 (ASTM, American Society for Testing and Materials): 미국의 재료 규격 및 재료 시험에 관한 기준을 정하는 기관. 1898년 창립. 본부는 필라델피아에 있다.
* 인터뷰 진행: 정민경 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 ( sujin@metric.or.kr )
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