휴대용 소형전원의 새로운 가능성 연 플렉시블 태양전지

조윤주 게재 : 2006년 12월 27일 휴대기기의 대체 에너지원으로 개발되고 있는 플렉시블 태양전지 세계는 석유, 천연 가스 등 천연 에너지 자원의 부족으로 인해 고유가 흐름이 계속되고 있지만, 이와는 모순되게 급속한 산업화, 자동차 보급의 확대, 퍼스널 전자기기들의 출현 등으로 에너지 소비는 더욱 가속되고 있는 추세이다. 이에 따라, 대체 에너지원에 대한 세계 각국의 관심이 높아지고 있다. 국내에서도 이와 관련, 많은 연구들이 진행되고 있다. 그 중 한국전자통신연구원(ETRI)은 현재 소형박막의 구부릴 수 있는 태양전지를 차세대 PC용 대체 전원으로 개발하는 연구를 진행 중이다. 종이나 플라스틱처럼 구부릴 수 있는 이 태양 전지는 지난 해 ETRI의 이오닉스 소자팀이 개발한 염료 감응식 태양전지로서, 기존 비정질 실리콘 태양전지의 복잡한 제조공정, 고가의 진공증착 장비의 필요성, 높은 원가 등 단점을 개선한 것이다. 염료감응 태양 전지란? ETRI 이오닉스 소자팀의 강만구 박사의 설명에 따르면, 염료 감응 태양 전지는 반도체 산화물 전극에 흡착된 염료가 빛을 받아 생성된 전자를 이용한다고 한다. 이것은 1991년 Gratzel에 의해 처음 발명되었으며, Ru계 염료가 흡착된 나노미터 크기의 산화물 반도체 작동 전극, 반대 전극, 그리고 두 전극 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 동작 원리는 먼저 n형 나노입자 반도체 산화물 전극에 흡착된 염료가 빛을 흡수하여 전자를 반도체 산화물 전극의 전도띠로 주입한다. 그러면 나노입자 반도체 산화물에 주입된 전자가 나노입자들 사이의 계면을 통하여 투명 전도성 박막, 그리고 외부회로로 전달된다. 전자는 외부회로에서 전기적 작업을 수행하고 백금(Pt)으로 된 반대 전극에 도달하게 되며, 전해질의 산화/환원 작용(I-/I3-)을 통해 염료로 되돌아간다. 고효율 염료 감응 태양전지의 반도체 산화물층은 전도성 기판(TCO)에 전달된 전자와 산화/환원 전해질과의 재결합에 의한 전자 손실을 차단하기 위한 보호막층, 루테늄계 염료가 흡착되어 전자 주입이 이루어지는 나노입자 산화물층, 그리고 가시 광선을 산란시켜 빛의 이용을 극대화시켜 주는 산란입자 산화물층으로 구성된다. 현재까지는 이산화티탄(TiO2)이 가장 효과적인 반도체 산화물로 알려져 있다. 개발 동향 ETRI의 전용석 박사는 전통적으로 전도성 유리 전극에 TiO2 반도체 산화물층을 형성시킨 태양 전지가 개발되어왔는데, 근래에는 구부림이 가능한 일반 전도성 고분자를 이용한 연구도 활발히 진행되고 있다고 말했다. 그는 유럽의 경우 ECN, Fraunhofer, Solaronix, EPFL 등에서 활발한 연구가 이루어지고 있으며, Solaronix에서는 다양한 형태의 이산화티타늄 페이스트와 염료 등을 연구용으로 개발 판매하고 있다고 전했다. 호주의 Dyesol은 신재생에너지 분야를 집중 육성하는 정부 정책에 힘입어 0.5MW 규모의 모듈 생산 라인을 갖추고 있다고 한다. 상용화에서는 일본이 앞선 편으로, 2000년 이후 일본의 샤프, 토요타, 산요, 후지쿠라를 비롯한 대기업과 중소 기업들이 염료 감응 태양 전지 제작에 필요한 소재와 완성된 모듈까지 개발하여 염료 감응 태양 전지 산업의 신규 시장 개척을 위해 활발히 움직이고 있다고 한다. 구부림이 가능한 전도성 플라스틱 염료 감응 태양 전지의 경우, 효율이 낮고 안정성 검증이 끝나지 않아 알려진 상품은 나와있지 않다. 그러나 Konarka에서는 Roll-to-roll 제조 공정으로 대량 생산이 가능한 제조 공정을 확보하고 있고, 일본의 벤처기업인 Peccell에서는 전도성 고분자를 이용해 구부림이 가능한 모듈을 개발 중이며, 호주의 Dyesol 역시 비슷한 형태의 전지를 개발 중이다. 그러나, 전도성 고분자를 이용할 경우, 열에 의해 변형되므로 전지 제조 과정에 꼭 필요한 고온 열처리 과정(450°C 이상)을 거칠 수 없어서 전도성 유리 전극을 이용할 때보다 효율이 50퍼센트 가까이 떨어진다고 한다. ETRI의 이오닉스소자팀에서는 이런 단점을 극복하기 위해 구부림이 가능하고, 전자전달이 가능하며, 500°C의 고온 과정에서 안정한 재료로 금속을 선정하여 5퍼센트 이상 높은 효율을 내는 금속판형 플렉시블 염료감응 태양전지를 세계 최초로 개발했다. 그리하여 한국을 시발점으로 금속판을 이용하는 연구가 국제적으로 시작되고 있다. 새로운 소재의 시도 ETRI 이오닉스 소자팀은 티타늄, 텅스텐, 아연, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 백금, 니켈, 코발트 금속 기판을 가지고 그 위에 나노입자 산화물 박막을 형성시켜 금속 종류별 광전기화학적 특성을 평가하였다. 이 중, 티타늄, 텅스텐, 아연, 그리고 스테인레스 스틸 기판에서는 전형적인 태양전지 특성을 볼 수 있었으나 알루미늄, 백금, 니켈, 코발트 등은 적합하지 않은 것으로 드러났다. 티타늄 기판이 가장 좋은 효율을 나타내었지만 연구진은 저렴하고 구매가 쉬운 스테인레스 스틸에 ITO 박막을 코팅하여 시제품을 제작하였다. 그리하여 5퍼센트 이상의 높은 효율을 가진, 구부림이 가능한 태양전지를 개발하는데 성공했다. 이 태양전지는 기존 반도체 접합 태양전지의 20퍼센트 밖에 안 되는 비용으로 생산 가능하며, 두께는 0.4mm, 단일 태양전지 전압은 약 0.6V로, 반도체 공정을 이용하여 이들을 모듈로 제작한다면 정보통신 단말기의 에너지원으로 사용될 가능성을 보여주었다. 이 연구는 ETRI가 단독개발한 것으로 미국, 일본 등 주요 6개국에 국제특허를 출원한 상태이며, 상용화를 위해 업체에 기술 이전이 이루어지고 있는 단계라고 한다. 또, 이 기술은 정통부의 차세대 PC 프로젝트에 통합되어 2010년 2월까지 유비쿼터스 단말용 부품 모듈로 개발되게 된다. 이 과제를 통하여 지금은 8퍼센트 이상의 고효율 플렉시블 태양전지가 개발되고 있다. 다양한 응용 가능성 염료 감응 태양 전지의 경우, 현재 금속 산화물로 가장 많이 쓰이고 있는 이산화티타늄의 가격이나 염료가 매우 낮은 가격에 공급될 수 있으며, 제조 공정 역시 진공 장비 사용에 비해 매우 간단하다. 뿐만 아니라 기존의 고체형 태양 전지들의 색이 모두 검정색 계열로 사람들의 주목을 끌기 힘든 데 반해서, 염료 감응 태양 전지는 현재 자줏빛, 녹색, 파랑, 주황 등, 다양한 색이 개발되고 있다. 따라서 성당의 스테인드 글라스처럼 예술적 감각을 접목시킨 태양 전지 개발이 가능하다. 이렇게 다양한 색깔들이 있다는 것 외에도, 만들어진 태양 전지는 반투명하여 태양 전지 너머로 시야 확보가 가능해, 가정의 창문이나 유리벽에 적용 가능하다. 이 때문에 호주, 스위스, 일본 등에서는 전기유리창으로 상용화하기 위하여 기술 선점 경쟁이 치열하게 펼쳐지고 있기도 하다. 옷감에 응용되어 디자인되기에도 무리가 없게 다양한 색이 가능하기 때문에 국내에서는 웨어러블 PC를 겨냥한 개발이 진행 중이다. 개발 효과 원유 수입의존도가 높은 우리나라는 고유가에 따른 차세대 에너지원의 개발이 시급하다. ETRI가 개발한 이 플렉시블 태양전지 기술은 이러한 걱정을 덜어줄 뿐만 아니라 수입대체효과도 가져올 수 있다. 이 휘는 태양전지는 향후 유비쿼터스 환경 하에서 웨어러블 PC 등 차세대 PC 산업에 전원의 자가충전용이나 옷, 모자, 자동차, 건물 등에 거치하여 사용할 수 있으며, 산업 전반에 적용될 수 있다. 세계 태양전지 시장이 2010년에는 100억불에 이를 것으로 전망됨에 따라 ETRI가 개발한 이 플렉시블 태양전지 기술의 파급효과는 상당할 것으로 기대되고 있다. 반도체 산화물 전극에 흡착된 염료가 빛을 받아 생성한 전자를 이용한다.