형태 바꾸면서 안정적 전기 생산 '3차원 태양광 시스템' 나왔다 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 건물 형태에 따라 자유롭게 설치하고, 움직이는 이동체처럼 태양전지를 설치할 수 있는 ‘3차원 태양광 시스템’이 개발됐다. 효율성이 극대화될 것으로 기대된다. 재생에너지인 태양광은 기후변화에 대응할 수 있는 강력한 수단 중 하나이다. 화석연료에서 벗어날 수 있는 시스템을 만들 수 있다.

건물의 곡면 외벽이나 돌출부, 움직이는 이동체처럼 태양전지를 설치하기 어려운 공간이 많다. 기존 태양광 시스템은 대부분 평판 형태여서 설치 환경에 맞게 변형하기 어렵다. 유연한 구조라 하더라도 많이 늘릴수록 태양전지의 배치 면적이 줄거나 전기 연결이 끊어지는 한계가 있었다.

설치 환경에 맞게 형태를 바꾸면서 발전 성능까지 유지하는 태양광 기술이 필요했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 차세대태양전지연구센터 이필립 센터장 연구팀은 구조의 움직임과 전기 연결을 함께 설계해 자유롭게 형태를 바꾸면서도 안정적으로 전기를 생산하는 3차원 태양광 메타구조체를 개발했다.

연구팀은 올해 초 같은 구조 단위를 반복 조립해 약 900cm² 크기의 ‘기계적 메타물질’ 기반 형태 변형 태양광 시스템을 만들고 이를 ‘Advanced Functional Materials’에 발표한 바 있다. 당시 연구가 모양을 바꾸는 구조의 시스템화에 집중했다면 이번 연구는 기능성 구조 설계에 집중, 종이를 자르고 접는 ‘종이 오리기(키리가미, Kirigami)’와 ‘종이접기(오리가미, Origami)’처럼 한 번 잡아당겼다 놓기만 해도 원하는 모양으로 접히며 구조가 늘어나고 접히는 동안에도 전기가 끊기지 않도록 전기 연결까지 함께 설계했다.

구조가 자유롭게 움직여도 전기 연결이 끊어지면 태양광 시스템으로 활용할 수 없다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 가느다란 은 나노선을 메타구조체 표면에 뿌리처럼 고정하고 액체처럼 유연한 인듐·갈륨 금속을 결합한 전극을 개발했다.

은 나노선이 전기가 흐르는 길을 유지하고 액체 금속이 연결망의 빈틈을 메워 구조가 많이 늘어나거나 접혀도 안정적으로 전기가 흐르도록 했다. 태양전지 모듈을 복잡한 배선 없이 탈부착하는 방식도 구현했다.

그 결과 500%의 변형률에서도 발전 성능이 거의 변하지 않았다. 1000회 반복 변형 후에도 성능을 유지했다. 태양전지를 촘촘히 배치한 별도 구조에서는 평면 설치 면적 대비 최대 225%의 태양전지 면적을 확보했다. 약 100% 늘어난 상태에서도 설치 면적에 해당하는 태양전지 면적을 유지했다.

전극은 약 2년 동안 실내 보관한 뒤에도 성능 저하가 관찰되지 않았다. 1만회 반복 접힘 시험에서도 안정적으로 작동했다. 모듈 교체 후에도 전기 연결을 다시 구성할 수 있어 부품별 교체와 유지보수가 가능한 시스템으로의 확장 가능성도 확인했다.

연구팀은 이번 기술을 건물 외벽의 다양한 형태와 설치 조건에 대응하는 태양광 외장 시스템으로 발전시킬 계획이다. 현재 조립형 구조와 실제 태양전지 모듈을 결합하는 사업화 기술개발을 추진하고 있다. 강풍·비바람에 견디는 내구·고정 기술과 화재 안전성을 갖춘 소재 개발도 진행할 예정이다. 장기적으로는 이동체와 휴대형 발전 장치, 우주 전개형 태양광 시스템까지 적용 범위를 넓힐 계획이다.

이번 성과는 KIST가 지속가능미래를 위해 개발해온 태양전지·기능성 소재 기술에 정밀한 메타구조 설계를 결합해 기존 평판 태양전지가 활용하기 어려웠던 공간을 새로운 에너지 생산 공간으로 확장할 기반을 마련했다는 의미가 있다. 가용 면적이 제한된 도심과 건축 환경에서 기존 태양광 발전의 한계를 보완하고, 재생에너지 적용 범위를 넓히는 새로운 접근법으로 주목된다.

황석준 박사는 “앞선 모듈형 구조 기술을 실제 태양전지 모듈과 결합해 건축 용도의 상용화를 추진하고 앞으로 이동체와 전개형 시스템까지 적용 범위를 넓혀갈 계획”이라고 말했다. 이필립 센터장은 “이번 연구는 구조의 움직임과 형태, 전기적 기능까지 함께 설계했다는 데 의미가 있다”고 전했다.

연구 성과(논문명 : Programmable 3D Photovoltaics via Mechanically Origami-Coded Interlocked 3D Kirigami and Nano-Root Anchored AgNWs–In–Ga Multiphasic Alloy Conductor)는 국제학술지 ‘Advanced Materials’ 최신호에 실렸다.