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Si 나노 와이어 태양전지, 저비용·고효율 실현
태양광 발전이 대중화되는 데 가장 큰 걸림돌은 높은 발전원가 부담이다. 태양광 발전 시 전력 발전원가는 kWh당 25~40센트로 화력, 원자력 등을 이용한 기존의 발전 방법대비 발전원가가 3~10배에 달한다. 소매가격인 일반 가정용 전력가격에 비해 아직 높은 수준으로 경쟁력이 떨어진다. 그러나 국내 태양광 발전 기술은 2006년 이후 급격히 상승했으며 정부에서는 2013년까지 1.3GW를 보급할 계획이다. 태양광 발전 산업은 2005년도에는 약 1,800MW, 2006년도에는 약 2,500MW의 태양전지가 생산 됐다. 과거 6년간의 세계 연평균 성장률은 약 35%를 상회했고, 산업에 대한 투자로 생산설비는 더욱 가파른 성장률을 보이고 있다. 특히 우리나라의 반도체 산업 인프라를 고려한다면 태양전지 셀 제조 설비의 투자비용을 줄일 수 있고 국내 반도체 산업이 지니는 기술력을 활용할 수 있기 때문에 차세대 산업으로 각광받고 있다. 이에 우리의 태양광산업은 반도체 및 IT 산업 이후 차세대 산업으로 세계시장 석권이 가능할 것으로 예상된다. 지금까지 전 세계 태양전지의 기술 개발은 변환 효율의 향상과 발전단가를 낮추는 연구가 병행해서 진행되고 있으나 최근에는 태양전지 분야의 기술이 급격히 발전함에 따라 다양한 소재와 구조적인 측면의 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적으로 실리콘 나노 와이어 태양전지가 이에 해당 한다.||▲Si 나노 와이어 태양전지 소재의 구조기존의 실리콘 기판을 활용한 태양전지는 기판 벌크에 pn 접합이 형성돼, 태양광의 조사 방향과 소수캐리어(반도체에서 전류 운반 구실을 하는 캐리어 중 수가 적은 쪽)의 확산 방향이 같은 축에 형성된다. 이에 따라 소수캐리어의 확산거리가 길기 때문에 고효율을 얻기 위해서는 순도가 높은 고가의 실리콘 기판을 사용하는 경제적인 문제가 있다. 반면 나노 와이어 구조를 갖는 실리콘 태양전지는 태양광의 조사 방향과 소수캐리어의 확산 방향이 수직하여 짧은 확산거리로도 태양전지가 구동된다. 따라서 기존의 평판형 태양전지 대비 저가의 실리콘 기판을 사용하면서도 고효율이 가능하다.▲구동 원리태양전지는 무한한 청정에너지인 태양광 에너지를 광기전력효과(Photo-voltaic Effect)를 이용해서 전기적 에너지로 변환 시키는 반도체 소자다. 기존 평판형 태양전지의 작동 원리는 반도체 pn 접합에 태양광이 조사되면서 전자, 정공 쌍이 생기고 pn 접합부에 생기는 전계에 이끌려 전자는 n영역에, 정공은 p영역에 유입하여 전류가 흐르게 되는 방식이다.이때 외부의 부하로 전력을 공급할 수 있으며, 이 효과를 광기전력효과라 한다.나노 와이어 구조의 태양전지의 작동 원리 역시 일반적인 태양전지 작동 원리와 동일하다.다만 구조적 차이에 의해서 와이어의 핵(core)과 껍질(shell)간의 pn접합이 형성되고 이곳에 태양광이 조사됐을 때 앞서 설명한 것과 동일한 원리로 작동된다. 평판형 태양전지의 경우 태양광이 직각으로 조사될 때에만 실질적인 발전이 가능하고 따라서 태양의 각도 변화에 따른 태양전지의 움직임이 필요해 이를 위한 센서와 구동장치가 필요하다.그러나 나노 와이어 태양전지는 수직이 아닌 경사진 태양광이 조사 될 때에도 발전이 가능해 태양이 뜰 때부터 질 때까지 장시간 더 많은 양의 전기 생산이 가능하다. ||경사진 태양광에서 발전 가능, 전기 생산능력↑우수한 반도체 인프라로 원천기술 확보해야 ||▲우리의 기술 수준, 선진국의 90%우리 연구팀에서는 기존의 태양전지 구조에 비해 특성이 크게 향상되는 나노 와이어 태양전지 제조기술을 활용해 낮은 가격으로 고효율을 낼 수 있는 태양전지 개발에 관한 연구를 진행 중 이다. 그러나 현재 고효율의 태양전지 소자 분야에서 선도적인 위치를 점하기 위해 일본, 미국, 독일과 같은 선진국에서는 원천 기술 확보를 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 반면 국내는 우수한 반도체 인프라 구축에도 불구하고 태양전지 소자 선도 기술에 대한 원천 기술 확보를 위한 연구는 미비한 상태다.우리 연구팀의 실리콘 나노 와이어 태양전지의 현재의 기술 수준은 선진국 대비 90% 정도이며 지속적인 연구개발을 통해 원천 기술 확보에 총력을 기울이고 있다.▲향후 100억달러 시장으로 부상현재 화석연료 가격의 급격한 상승과 교토의정서 등에 의한 이산화탄소 배출규제와 맞물려 태양전지 시장의 규모는 기존 예측치보다 계속 상향 조정되고 있다. 이와 같은 추세로 볼 때, 2010년 20GW, 2015년 50GW 이상의 시장 형성이 가능할 것으로 예상된다. 또한 매년 35%이상의 고성장이 지속되고 있어, 금액으로는 올해 약 700억달러 규모는 충분히 달성할 것으로 평가된다. 또한 나노 와이어 태양전지의 경우 우수한 가격 경쟁력을 갖출 수 있기 때문에 차세대 실리콘 태양전지 분야의 핵심기술로 자리매김할 것으로 전망된다. 이러한 연구 결과가 실용화되는 2015년경 본 기술관련 각종 제품 및 원자재 수출입 규모가 크게는 100억달러이상 가능할 것으로 예측된다.
편집국 기자
2010-07-28
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CNT-그래핀 복합화로 ‘新 전자소자’ 탄생 이끈다
편집국 기자
2010-07-19
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스마트그리드의 핵심부품인 광소자 및 LED 응용기술
편집국 기자
2009-11-06
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미래 도시의 양날개 유비쿼터스·스마트그리드
여의도 면적의 420배에 달하는 부지와 4,000억원의 자금이 투입되고 있는 유비쿼터스도시와 스마트그리드는 최적의 연관성이 있다. ‘스마트(Smart)’에는 ‘똑똑하다’, ‘재빠르다’, ‘기민하다’, ‘세련되다’ 라는 좋은 의미를 모두 내포하고 있다. 스마트 그리드(Smart Grid)란, 이러한 특성을 가지는 전력망이라고 말할 수 있다.
△스마트 그리드(Smart Grid) 필요성
과거를 돌이켜보면 사람들이 전기를 이용한 시간은 얼마 되지 않았다. 1879년 에디슨이 전구를 발명한 시점을 기준으로 하더라도 130년에 불과하다.
그러나 전기를 사용하는 제품들은 빠른 속도로 증가했으며 그에 따라 전기 사용량도 꾸준히 증가해왔으며 앞으로도 증가할 것으로 보인다. 이런 대량 전력 보급 환경에서 전력회사들은 안정적인 전력 운용을 위해 충분한 전력을 보유하는 데 중점을 두었다. 항상 최대 전력량을 보유해야 하기 때문에 늘 버려지는 전기가 있을 수밖에 없다.
불필요한 자원의 소모를 감수하고 온실가스를 배출하면서도 안정적인 운용을 위해서는 항상 최대 전력량에 맞춰 전기를 생산할 수밖에 없었던 것이다. 꾸준히 증가하는 전력량 때문에 전력회사들은 송·배전망에 꾸준한 투자를 해야 했고, 예비 전력을 위해 10% 이상의 전력설비를 건설해야 하기도 했다.
하지만 최근 들어서는 전력공급의 안정성보다 전력 수급의 효율성이 부각되고 있다. 버려지는 전기를 최소화 하는 것, 그것이 스마트 그리드가 필요한 가장 큰 이유다.
그런 점에서 소비자의 입장에서 경험할 수 있는 스마트그리드의 가장 큰 장점은 효율적 전력 이용을 가능케 하는 ‘실시간 전기요금제’ 라고 말할 수 있다.
△외국의 스마트그리드
유럽과 미국, 오스트레일리아 등에서는 스마트 그리드에 대한 관심이 특히 높다.
그뿐 아니라 IT와 상수도관이 결합된 스마트 워터(Smart Water)에도 많은 투자를 하고 있다. 미국의 전력망 노후화는 심각한 수준이다. 그 탓에 송배선 설비에 대한 기본적인 투자가 절실하다. 하지만 그에 대한 투자는 충분하지 못하며 그나마 꾸준히 줄어들고 있는 실정이다. 노후화된 송배전 시설은 전력손실에 큰 영향을 끼친다.
사례를 보면 한국에서 손실률 1%에 해당하는 발전 원가는 2,000억원의 손실을 초래한다. 미국의 전력 품질 저하에 의한 경제 손실규모는 연간 1,500억달러에 이르고 있다.
이러한 실정의 미국에서는 스마트 그리드 도입이 필수적이며, 그 보급이 점점 확대되어 가고 있다. 미국은 지난 2003년 대규모 정전 사태를 기점으로 차세대 전력망에 대한 고민이 심화되었다. 발전소 부근의 산불이 원인이 된 이 대규모 정전은 금액으로 치면 100억달러에 달하는 막대한 피해를 냈다. 이것이 불씨를 제공해 유비쿼터스도시 설계에 반영되기도 하였다
결국 오바마정부가 대규모 투자를 시작한다고 발표한 것에도 이러한 사정이 배경으로 작용한 것이다.
△우리의현황
전 세계의 국가가 스마트 그리드에 지대한 관심을 가지고 있다.
이미 여러 나라에서 스마트 미터의 도입과 설치가 완료 또는 추진되고 있는 상황에서 지금이라도 제주도에 실증단지가 착공되었다는 것은 매우 반가운 일이다.
대한민국은 자원이 부족한 나라다. 에너지 사용 효율의 제고를 기반으로 ‘에너지 독립’에 대한 염원을 이루기 위해서는 전 국토의 스마트 그리드화가 절실한 것이다. 스마트 그리드는 대한민국이 달성해야할 필수요건일 뿐만이 아니라, 세계 10위권 경제강국으로서의 의무이기도 하다.
△미래방향
지구 온실가스의 1/3은 전기를 생산하는 발전소에서 만들어진다. 가장 중요한 지구 온난화 대책 중의 하나가 이러한 발전소에 대한 의존도를 최대한 낮추는 것이다.
정부 정책이 에너지 효율을 중시하는 방향으로 가는 이유도, 전력사용량을 감소시킬 수 있도록 에너지 효율을 높일 수 있는 제품을 많이 생산하게 하려는 데 그 목적이 있다.
이러한 점에서 볼 때 전력사용의 효율을 극대화해 발전량을 억제할 수 있는 스마트그리드는 환경문제가 갈수록 심각해지는 지금 시점에서 그 필요성이 더욱 무겁게 다가온다.
또 환경의 문제는 곧 농업의 문제로 직결된다. 전체 경제활동에서 1차 생산이 큰 비중을 차지하고 있는 미국과 오스트레일리아는 환경의 보존을 위해 더욱 큰 노력을 기울이고 있으며 스마트그리드의 도입 역시 그 노력의 일환이라고 할 수 있다.
이렇듯 스마트그리드는 자원의 효율적 이용과 배분, 지구환경 보호를 위한 강력한 수단이며 또한 차세대 전력망임에도 불구하고 시설비, 유지비가 적게 들어간다는 장점까지 갖추고 있는 꿈의 에너지관리 체계다
그러나 스마트그리드의 이런 기능을 가능케 하는 ‘스마트함’은 양날의 검처럼 위험함도 내포하고 있다.
미국의 보안 컨설팅 업체인 IO 액티브는 다음과 같이 밝히고 있다.
“전기 및 소프트웨어에 대한 약간의 지식과 500달러짜리 장비만 있으면 스마트 그리드 시스템에 침입할 수 있다. 게다가 한 개의 장비를 해킹하면 다른 스마트 그리드 시스템 전체를 조종할 수 있는 것으로 나타났다. 전력 소비 출력을 무작위로 높이거나 줄이는 것은 물론 정전도 가능해 마음만 먹으면 광범위한 피해를 줄 수 있는 것으로 분석 되었다”
스마트 그리드가 ‘페이탈 그리드(Fatal Grid)’, 말 그대로 치명적 전산망이 되지 않으려면 꾸준한 해킹보안에 대한 관심이 필요한 것이다. 더욱이 한국은 초고속 인터넷 망이 사회화 되어있고, 국토도 좁아 스마트 그리드 사회화 역시 빠르게 진행 할 수 있다.
유비쿼터스 도시 안의 스마트그리드환경 구현에 대처하기 위해 이와 관련한 보안 문제에 대해 지속적인 관심을 가져야 할 것이다.
편집국 기자
2009-11-05
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신재생E, 스마트그리드에 따라 계통연계 변경해야:
김응상 전기연 팀장 기자
2009-11-05
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'똑똑한 집' 만드는 스마트그리드
정정화 한양대 교수 기자
2009-11-05
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녹색성장의 원동력 수소에너지
▲ 수소와 소재용도에 최적화된 맞춤형 소재를 개발하기는 어렵지만, 일단 성공하면 그 효과는 대단히 크다. 사실 소재 분야의 경쟁력 확보는 전체 사업의 성패를 좌우할 정도로 중요한 것임에도 용도에 적합한 소재 개발은 많은 시간과 돈을 필요로 하므로 섣불리 시작하기도 어렵다.특히 환경 및 에너지 문제 해결에 적합한 소재가 그러하다. 아직도 소재에서는 해외의존도가 커서 애써 돈벌어 남의 주머니를 채워주는 일이 한둘이 아니다. 요즈음 화두가 된 화석연료고갈과 지구온난화문제의 유력한 해결책으로 선진국을 중심으로 수소에너지 분야 연구개발에 큰 노력을 기울여 왔지만 수소의 생산과 저장 및 이용에 이르기까지 각 분야에 기술적인 장벽은 여전히 존재하며, 대부분 소재와 직결되어 있다. 우리가 가진 핵심 역량을 활용하여 장기적이고 일관성 있는 연구개발을 지속하는 이유이다. 대표적인 예로 고체수소저장소재에 대하여 언급하고자 한다. 통상 수소연료전지자동차의 경우, 기존 자동차와 대등한 주행거리 및 탑승자와 화물을 위한 공간을 감안하여 시스템무게당 또는 시스템부피당 수소저장량, 충전시간과 최소한 요구되는 수소방출속도 등의 기술 목표를 세워두고 있다. 아직 현재의 수준은 궁극적인 목표와 차이가 크며 이것마저도 고압저장 또는 액체저장을 제외하고는 차량용 시스템으로서 실증된 사례가 적어, 수소저장 분야의 혁신적 소재 개발을 위해 지금도 세계 각국에서 착화합물, 흡착제와 화합물 등 다양한 재료를 찾아 경쟁적으로 연구하고 있다.▲ 고체수소저장소재의 이해고체수소저장은 저장 메커니즘 측면에서 크게 흡착(adsorption), 흡장(absorption) 및 화학반응 (chemical reaction)을 이용한다. 흡착은 물질의 표면에 물리적(물리흡착) 혹은 화학적(화학흡착)으로 결합하는 현상이기 때문에 일반적으로 물질 자체의 변화는 없어 이상적인 방법이다. 비표면적이 넓은 나노구조체나 활성탄에 수소를 흡착한다면, 단위 무게당 많은 수소를 저장할 수 있고, 가역적인 수소 흡탈착이 가능할 것으로 예상하는 것은 당연하다.하지만, 수소는 이원자 분자 중에서 제일 작고, 결합길이도 0.7Å에 불과하며, 가지고 있는 전자도 2개에 불과하다. 기화되는 온도는 -253℃이어서 질소보다도 58℃ 정도 더 낮다. 다른 기체와는 달리 흡착을 통하여 미세 다공성 물질 안에 가두기가 쉽지 않을 것이란 뜻이다.흡장은 일부 금속이나 합금과 같이 수소를 흡수해서 수소화물 형태를 만드는 경우에 해당된다. 금속수소화물과 금속착수소화물이 있는데 후자는 금속이 수소를 흡수하여 이온이나 공유결합 화합물로 변한다는 점이 다르다. 원자와 수소의 화학결합으로 보면, 종래에는 수소저장재료로서의 수소저장합금은 침입형 즉, 물질의 결정격자 내부로 수소가 침입함에 따라 수소를 저장하는 경우만을 고려했다 할 수 있다. 금속착수소화물은 금속수소화물과는 달리 수소가 착수소화물의 다단분해로 발생된다. NaAlH4와 같은 알라네이트 수소화물은 일단 분해되어 수소가 발생된 후에는 간단한 반응으로는 재생될 수 없다고 생각되었지만, Ti계 촉매를 첨가하여 가역적인 수소 흡장 방출 가능성이 실증되었다.화학반응을 이용한 수소저장과정은 물질 그 자체가 별도의 화합물로 변화한다는 특징이 있다.LiNH2 등의 질소를 함유한 화합물에 의한 수소저장도 Li 질화물과 수소와의 화학반응을 이용한 것이다. 따라서 재순환기술이 이슈가 되고 있다. 대표적인 예가 데칼린/나프탈린계 수소저장기술인데 데칼린의 탈수소화, 나프탈렌 수소화 반응의 쌍으로 이루어진 것이다. ▲ 나노구조재료3차원 골격구조를 가지고 있는 미세 결정체들은 동공(Cavity)으로 구성되어 있는 제올라이트의 물리화학적 특성과 분말이라는 특성을 이용하여 1960년대 초부터 수소저장시스템으로 활용하고자 하는 연구들이 시작됐다. 그러나 이렇다 할 결과를 얻지 못한 채 아직도 기초 연구수준의 보문이 발표되고 있다. 그만큼 어려운 것이 고체수소저장소재인 것이다.몇 년 전 탄소나노튜브에서의 수소저장량이 매우 크다는 실험 결과가 발표된 이래 많은 연구가 이루어졌지만 재현성이 없어 결국 실험 오류로 귀착되었고 순수한 나노튜브나 나노섬유만으로는 수소저장이 어렵다는 것이 현재의 결론이다. 하지만 각종 유무기 또는 금속과의 하이브리드 형태의 나노구조체 등을 이용한 수소 저장 연구가 활발해지는 계기가 되었다.최근 관심을 끄는 MOF란 물질은 금속과 유기물로 이루어진 구조체인데 제올라이트와 똑같이 고체 내부에 많은 공간과 세공이 있어 이들 표면에 수소나 다른 분자사 원자가 흡착될 수 있다고 생각된다. 하지만 저온에서는 어느 정도 수소저장이 가능하지만 상온에서는 1% 미만에 불과하며 통상 흡착제로 많이 쓰이는 탄소 소재인 활성탄도 유사한 경향을 보인다. 물론 미립화된 백금을 이용하면 고체 표면에서 수소원자가 확산되는 현상(스필오버 효과)으로 상온에서도 저장량을 늘릴 수 있다고 보고된 바 있다. 아직도 수소를 다량 저장할 수 있는 구조가 어떤 것이며 어떤 방식으로 수소가 저장되는지 조차 명확하지 않아 이론적 계산 및 컴퓨터 모사실험을 통한 재료의 설계 및 선정, 실험적 증명 등을 포함한 노력을 지속하고 있다. 전자 개수가 적은 수소와 가장 효과적인 상호 작용력을 보이는 화학종이나 금속을 찾아 이를 나노구조체에 도입하여 수소저장능력을 개선하고자 하는 것이 연구 추세이다. ▲ 합금계 재료1967년 미국 브룩헤븐연구소의 과학자에 의해 Mg2Cu에 수소를 대량으로 저장할 수 있다는 보고가 있은 이후 수소흡장합금 개발이 활발히 이루어져 왔으며, 니켈 수소전지의 음극 전극재료로 상용화된 사례가 있다. 주기율표상 1~III족의 가벼운 원소인 리튬(Li), 보론(B), 나트륨(Na), 알루미늄(Al)등은 수소와 안정된 이온결합을 하며, NaAlH4, LiAlH4, LiH, NaH 등의 예에서 보듯이 금속원소당 수소원자수가 대부분 2로서 큰 편이다. 하지만 습기나 공기에 매우 불안정하여 공기나 습기는 막고 수소는 방출할 수 있는 기능성 코팅재료를 이용하여 금속수소화물을 보호하고자 하는 연구도 관심을 끌고 있다. 착수소화물은 아직 이론적 수소량과 실제적으로 얻을 수 있는 수소량과의 괴리가 커서 수소흡방출 과정을 좀 더 이해하여 재료의 수소 방출 온도를 낮출 뿐 아니라 적절한 온도와 압력으로 고밀도의 수소 저장이 가능하게 하는 것이 추세이다. ▲ 보론 화합물수소함량이 높은 소재의 대표적인 예로 순수한 LiBH4는 분해되면 13.9%에 해당하는 수소를 발생시킨다. 문제는 이론상 최소한 1기압하에서 온도를 400℃ 이상으로 올려야 가능하다는 데 있다. 만약 MgH2를 넣어 비안정화시킨다면 이론상 11.4% 정도의 수소를 225℃ 정도의 온도에서도 발생시킬 수 있다.시험적으로는 수소를 9~10% 정도 저장했다가 방출할 수 있다는 가역적인 성질이 증명된 상태이지만 방출 온도가 315℃ 이상의 고온이며 수소 흡방출 속도가 너무 늦다는 문제는 해결하지 못하고 있다. 암모니아 보레인(NH3BH3)은 상온에서 고체이고, 공기나 물속에서도 안정하며 190g/kg(100~140g/ℓ)의 수소저장량을 가지므로 안정성과 수소량만으로 보면 관심을 끌 충분한 이유가 있지만 차량탑재 상태에서는 재생될 수 없다는 점이 단점이다. 어떻게 암모니아 보레인에서 수소를 방출하느냐에 따라 고체상태에서 열적 분해, 용액상태에서 전이금속촉매를 사용하는 방법, 이온성액체를 이용하는 방법, 용액상태로 열적 분해하는 방법, 다공성 구조체에 넣어 나노상태의 암모니아 보레인을 이용하는 방법 등 크게 5가지로 구분되며 어떤 방법이든 고체고분자연료전지의 막을 오염시키는 원인 물질의 발생을 억제해야 함은 물론이다.▲ 연구 현황과 동향전 세계적으로 수소이용의 안전성과 편리성을 높이기 위해 수소저장의 신개념과 아이디어를 지속적으로 검토하고 있다. 사업단은 이론탐색으로 수소저장물질로서 거론되는 각 후보 물질에 대한 가능성 여부를 각 연구팀이 분석과 측정을 통해 검증하는 절차를 밟고 있고 또 국내 연구진의 연구결과도 고체수소저장에 관한 논문의 양과 질적인 면에서 세계적인 수준에 근접하고 있다. 아직은 기초적 연구 단계지만 수소저장에 관한 한 아직 역량을 집중할 만한 소재를 세계 어느 누구도 찾아내지 못하였기에 이와 같은 기초 연구가 큰 밑거름이 된다. 개발된 소재의 적용을 위해서는 열역학적 측면과 반응기구 측면 등 검토되어야 할 내용도 많다. 각 부처에서 수행하고 있는 기초연구분야 관계자, 산업체와 관련 사업과의 긴밀한 협조 및 국제적인 협력도 어느 나라에서나 중요한 연구 전략으로 보고 있고 우리도 이에 동조하고 있다.
편집국 기자
2009-08-12
