비행선의 역사 및 신개념 비행선(2)/하이브리드 비행선 개념

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Ⅰ. 성층권 비행선



성층권 비행선이란 고도 20km 부근의 성층권에서 장기간 정점체공 혹은 이동하며 통신중계, 원격탐사 등의 임무를 수행하는 비행선을 말한다[. 성층권에서는 대기 변화가 없고, 계절에 따라 항상 일정한 바람이 변화 없이 불며, 기종 항공기의 비행영역에 서 벗어나 있어 비행선을 운용하기에 매우 좋은 환경조건을 갖추고 있다. 성층권 비행선은 장기체공을 위해 일회용 화석연료가 아닌 재생형 연료시스템을 사용한다. 가능한 재생형 연료시스템으로는 태양전지, 연료전지, 수전해 장치 및 연료(수소,산소)탱크가 조합된 시스템이 제기되고 있다. 이 연료시스템은 주간에는 태양전지를 이용하여 전기를 얻고 잉여출력으로 물을 분해하여 연료를 저장하며, 야간에는 저장된 연료를 이용하여 연료전지로부터 전기를 얻는다. 또한 성층권 비행선은 무이 비행선으로서 완전 자동조종 기능을 보유하게 된다. 성층권 비행선은 지상의 7%정도의 희박한 공기밀도와 -50 degC 이하의 혹독한 운용환경 하에서 최소한 1년 이상을 정비나 연료의 보급 없이 체공하면서 임무를 수행하여야 하기 때문에 보다 엄격한 설계조건이 요구된다.

성층권의 공기밀도가 지상에 비해 매우 낮기 때문에 같은 무게를 탑재하기 위해서 성층권 비행선은 저고도 비행선에 비해 매우 커져야한다. 현재 1톤 정도의 임무 탑재체(mission payload)를 수용할 수 있는 성층권 비행선은 길이가 200m, 총 중량이 20~30톤 규모의 초대형 비행선이 될 것으로 추정된다.

성층권 비행선은 주로 통신 중계와 관측임무에 사용될 것이다. 이러한 임무를 수행하기 위해서는 일정한 위치에 머무르는 능력 즉 정점 체공능력이 필요하다. 정점체공이 가능하기 위해서는 맞바람을 이겨낼 수 있어야 한다. 성층권 비행선은 최소 25 m/sec 이상의 내풍능력을 가져야한다.

1.1 성층권 비행선의 임무

성층권 비행선은 크게 통신중계와 지구관측 등의 임무를 수행할 목적으로 개발된다. 통신에 사용되는 정지위성은 약 3만 6000km 의 상공의 지구정지궤도를 돌고 있다. 이에 대하여 성층권 비행선은 지상에서 20km 상공에 체공한다. 정지위성의 1800분의 1밖에 안 되는 낮은 고도이다. 고도가 낮아지면 그만큼 통신 거리가 짧아진다. 따라서 지연 시간은 줄어들고, 위성방송과 같은 커다란 안테나가 없어도 수신이 가능해진다. 더욱이 성층권 비행선은 정해진 지점에 체공할 수 있을 뿐만 아니라 프로펠러의 추진력으로 이동도 가능하다.

통신, 방송 임무에는 수십 기가 헤르츠(GHz; 1GHz는 10억 Hz), 수 GHz, 수백 메가헤르츠(MHz; 1MHz는 100만 Hz) 등 세가지 전파를 사용하는 방안이 고려되고 있다. 수 GHz의 전파는 차세대 이동통신에, 수십 GHz의 전파는 인터넷 등 대용량의 데이터를 고속으로 송수신할 때 사용한다. 그러나 주파수가 높아질수록 한 대의 비행선으로 수용할 수 있는 범위가 좁아진다. 수십 GHz의 높은 주파소로는 비행선 한 대 당 지름 200km 내외의 지역을 수용할 수 있을 것이다.

지구관측 임무에는 고해상도 분해능을 갖춘 카메라의 탑재를 고려하고 있다. 카메라의 활용도는 매우 다양하다. 높은 해상도를 사용하여 적조의 분포나 동식물의 상태, 분포 등을 관측할 수 있고, 화산의 분화 때 화쇄류가 흐르는 방향을 관측하거나, 산불발생 시 불길이 진행하는 방향을 관측함으로써 피난할 경로나 장소를 지정할 수 있다. 또한 홍수나 지진 등 재해의 대응에 도움이 되는 정보를 제공할 수도 있다. 한편, 각종 센서들을 탑재하여 기온, 기압을 관측하거나, 성층권의 대기를 직접 채집한 후 온난화 가스나 질소 화합물 등을 조사함으로써 지구 온난화의 메커니즘을 해명할 수도 있을 것이다.

1.2 국외기술개발동향>

성층권 비행선이 최초로 개발되기 시작한 것은 1970년대 말 미국 해군 및 공군에 의해서였다. 미 행군과 공군은 전략적 필요성 때문에 HASPA, HAPP, HI-SPOT 등 성층권 비행선 개발사업을 착수하였으나, 당시의 피복재료기술, 항력최소화기술, 태야-연료전지기술, 무인자동조종 기술 등 관련기술분야가 성숙하지 못했기 때문에 개념설계 정도를 수행하였을 뿐, 더 이상 진전은 없었다. 성층권 비행선이 다시 주목을 받게된 것은 1990년대 중반부터인데, 이는 관련기술이 어느 정도 성숙했을 뿐만 아니라 통신중계 및 원격탐사에 활용할 경우 탁월한 경제성을 가질 수 있다는 것이 밝여졌기 때문이다. 주요 개발프로그램으로는 일본에서 수행주인 SKYNET프로그램(과기청/우정성 주도)[7]과 미국 SSI사에서 추진중인 SKY STATION 프로그램[8], 그리고 유럽의 HALEAP 프로그램(ESA 주도)등이 있으며, 현재 항공선진국들은 세계 성층권 시장을 선점하고자 개발을 가속화하고 있다.

1.3 기술적 과제

ⅰ. 최소항력 외형 설계 :

성층권 비행선에서 공기 역학적으로 가장 큰 비중을 차지하는 부분은 본체를 이루는 기낭이다. 기낭은 전체 비행선의 하중을 감당하는 부력을 내야하기 때문에 부피가 크고, 표면적 또한 크다. 비행선을 성층권에서 1년 이상 머무르도록 하려면, 위치 유지에 필요한 동력을 가능한 최소화 해야한다. 따라서, 형상설계에서 가장 중요한 과제는 공기역학적 항력을 줄이는 것이다. 기존의 비행선 본체는 항력계수가 약 0.04-0.05인데 반해, 성층권 비행선은 항력계수 0.02-0.025를 목표를 한다. 이것이 가능할 경우 태양전지 및 추진계통의 무게를 약 절반으로 줄일 수 있기 때문이다.

ⅱ. 구조물 경량화 :

성층권 비행선은 공기의 밀도가 지상의 약 1/18 정도인 고도에서 부력을 이용하여 체공한다. 따라서, 기존 비행선을 성층권으로 올린다고 가정하면 자중을 1/8로 줄이거나, 같은 중량을 유지하면서 본체의 부피를 18배로 늘려야 한다. 이 경우 길이는 약 2.6 배가 증가한다. 일반적으로 중량을 줄이는 것과 부피를 늘이는 것은 모두 한계가 있으므로 두 가지 방식을 병행하여 사용한다. 즉, 본체의 길이를 크게 하는 한편, 보다 경량화 된 구조물과 설계기법을 사용하여 비행선을 설계한다. 성층권 비행선 중량에서 가장 많은 비중을 차지하는 것은 기낭이다. 현재 비행선에 널리 사용되는 폴리에스터 합성섬유로 기낭을 제작할 경우 비행선이 무겁고 강도도 약하기 때문에, 보다 가벼우면서 강도가 더 큰 재료를 개발해야 한다. 성층권 임무를 위해서는 강도 100kg/cm 이상, 그리고 무게 200g/m 이하인 기낭재료가 필요하다.

ⅲ. 열제어:

성층권 비행선 개발 시 중요하게 고려되어야할 또 한가지 문제는 밤과 낮의 온도차이다. 태양광, 지구복사 등에 의한 열에너지가 비행선 내부에 축적되면 고열로 인해 내부압력과 부력이 상승하게 된다. 이 경우 온도는 50 degC 이상 증가하고 압력이 1300 mmAq 증가함에 따라 외피에 추가 하중을 주게 된다. 이러한 압력의 증가는 기낭외피가 받는 응력을 증가시키게 되므로 보다 높은 강도의 재료를 개발하거나, 적절한 응력 완하 장치등을 개발할 필요가 있다. 또한 이러한 온도 및 압력 상승은 기낭 내부 온도의 불균형을 일으켜 부력을 변화시킴으로써 정점고도 이탈 등 문제를 야기할 수 있기 때문에 압력제어 시스템의 추가적 설계가 필요하다.

ⅳ. 저밀도 고공 운용 플랫폼 개발 :

지상운용을 기준으로 할 때, 저고도 비행선의 헬륨부피가 전체 기낭의 70%이상을 차지하는 반면, 성층권 비행선의 헬륨부피는 전체 기낭부피의 7%에 불과하다. 따라서, 저고도 비행선의 설계 개념을 도입할 경우에는 안정성이 떨어진다. 지상에서의 안정성을 확보하기 위해서는 헬륨낭을 몇 개로 분리하는 것이 효과적이다. 그러나, 이 경우 헬륨낭의 표면적이 늘어 중량이 증가하므로, 이에 상응하는 초경량 구조설계가 필요하다.

ⅴ. 자동 비행 및 정점체공기술 :

성층권 비행선은 무인 비행선이다. 무인으로 운용되기 위해서는 자동 비행 및 사전 프로그램 비행이 가능해야 한다. 또한 통신중계 임무를 위해서는 정점체공능력을 갖추고 있어야 한다. 통신 중계시스템으로 활용할 경우 정점체공 범위는 직경 2 km 이내이다. 성층권 비행선의 크기가 200 m 정도임을 고려할 때, 매우 정교한 정점체공이 이루어져야함을 알 수 있다.

ⅵ. 재생 연료시스템 구축 :

성층권에서 장기 체공하기 위해서는 장기간에 걸쳐 에너지를 공급하는 것이 필수적이다. 기존의 화석연료로는 장기체공을 위해 탑재할 연료의 양이 너무 크기 때문에 비행자체가 불가능하다. 이러한 무제는 태양전지와 연료전지를 결합함으로써 해결할 수 있다. 낮에는 태양전지로부터 발생하는 전기로 모터를 구동하고, 밤에는 낮에 사용하고 남은 전기를 산소와 수소형태로 저장한 다음, 연료전지를 통해 전기를 발생시킴으로써 모터를 구동한다. 성층권에서는 1년 내내 태양관성에 의한 에너지를 얻을수 있다.



Ⅱ. 하이브리드 비행선

1. 개발배경

200톤 이상을 실어 나를 수 있으며, 짧은 활주로에도 이착륙이 가능하고, 습지, 바다, 넓은 개활지 등에 자유롭게 이착륙이 가능한 비행수단은 오랫동안 항공공학자들에게는 꿈의 영역에 속하였다. 하지만 이 꿈은 비행기와 비행선을 결합함으로써 가능해진다. 이러한 비행수단이 바로 하이브리드 비행선이다. 비행선과 항공기의 개념을 접목하여, 양력의 약 60%는 헬륨가스의 부력으로 얻고, 나머지 40% 정도는 공기역학적 양력으로 얻음으로써, 유상하중 및 항속거리를 기존의 항공기에 비행 월등하게 늘릴 수 있다. 또 비행선에 비해 단위 부피 당 중량이 증가하므로 지상운용성능이 좋아지고, 돌풍에 대한 적응력도 증가한다. 또한 추력 편향(thrust vectoring) 및 스키드(skid) 방식을 채택하여 활주로 시설이 없는 평지나 수상에서의 이착륙이 가능하기도 하다.

하이브리드 비행선에 대한 개념이 시작된 것은 미해군이 비행선(blimp)을 운용하여 얻은 경험이었다. 미해군은 비행선을 운용하면서 동적 양력(dynamic lift)를 사용할 경우, 비행선의 운항거리를 크게 늘릴 수 있다는 것을 착안했다. 동적 양력을 사용하게 되면, 전체적인 비행선의 무게를 늘릴 수 있어 돌풍에 대한 비행선의 대처 능력도 커지는 장점도 있다.

2.최근 개발 동향

최근에 개발중인 대표적인 하이브리드 비행선으로는 영국의 Advanced Technology사(이하 AT)의 Skycat 시리즈가 있다. AT 사는 Skycat 시리즈의 축소모형인 Skykitten의 시행 비행을 2000년에 성공적으로 마쳤다. 12.2m의 길이에 두 개의 비행선을 붙여 만든 모양을 하고 있는 이 하이브리드 비행선은 이륙과 비행 그리고 착륙과정을 무난히 소화해냄으로써 앞으로 개발된 Skycat 시리즈의 앞날을 매우 밝게 했다. SkyKitten은 외형을 복합재료로 제작하고 비행선 기낭(hull)은 하부에 킬빔(keel-beam)을 넣어 전체적인 외형을 유지했다. 두 개의 비행선 기낭사이를 공력형상을 설계하여 전체적인 기낭의 크기를 키웠을 뿐 아니라, 동압에 의한 양력이 발생할 수 있도록 설계하였다. 두 개의 기낭을 붙여 비행선을 제작할 경우 일반적으로 전체적인 안정성이 증가하는 것으로 알려져 있다. 또 기낭을 길이 방향으로 세 개의 방으로 분리함으로써 사고의 위험성에 대비했다. 또 호버크래프트(hovercraft)에 사용하는 에어쿠션(air cushion)이 가능한 스키드(skid)를 부착하여 할주로가 없는 넓은 개활지나 습지, 혹은 수중에도 착륙할 수 있도록 하였다. AT사 측에 따르면 앞으로 개발될 Skycat 시리즈는 SkyCat20, SkyCat200, SkyCat1000 세 가지 종류로 제작될 예정이다[표 2]. 이중 가장 큰 SkyCat1000의 경우 보잉 747의 4배 크기로 기존 비행선보다 약 2배 빠르게 비행하며 선박보다는 4배정도 빠른 속도성능을 보여준다. 항속거리는 약 9700 km에 달할 것으로 예상되는데 이는 C-17에 약 2배에 달하여, 지구 어디든 한번에 날아갈 수 있다. 하이브리드 비행선은 민수 시장과 군수시장에서 아주 다양하게 사용될 것으로 예상된다.

3. 시장성 및 수요

민수 시장의 주 수요처는 화물운송이 될 것이다. 화물 운송 시장에서 값싸지만 속도가 늦은 선박운송과, 빠르지만 값이 비싼 항공운송 사이에 틈새 시장이 존재한다. 이 틈새 시장에 속하는 물품으로 미국 서해안에서 생산되는 농산물이 있다. 이 농산물들을 선박으로 동아시아 시장으로 운송할 경우, 3주 이상이 소요되므로 값비싼 냉장시설이 요구되고 상품의 질을 현저하게 저하시킨다. 비행기를 이용할 경우에는 운송비용이 커져, 경쟁력을 상실한다. 만약 하이브리드 비행선을 이용한 신선한 농산물을 운송하게 되면 대륙간에 매우 큰 경쟁력을 갖추게 된다.

하이브리드 비행선은 항공기에 대해서는 비용면에서 선박에 비해서는 시간 면에서 확실한 우월을 점하고 있다. 하이브리드 비행선의 또 하나의 큰 장점은 항구나 비행장과 같은 인프라가 필요하지 않다는 것이다. 이 장점은 인프라가 정비되지 않은 중국시장과 같은 개발 도상국과의 교역에서 큰 힘을 발휘할 것이다. 특히 중국의 경우, 해안에 대한 개발이 완료되고 해안에서 100km 이상 떨어진 지역이 개발되고 있는 시점에서 이 시장에서 직접적으로 접근이 가능한 운송수단은 매우 유용할 것임에 틀림없다. 또 하이브리드 비행선을 이용할 경우 생산자와 소비자가 직접적으로 연결되는 일대일 운송이 가능하다. 인터넷을 이용한 B2C, B2B 거래가 활성화됨에 따라서 국지적인 화물 운송량은 비약적으로 증가할 것으로 예상된다.

현재의 도로와 항만 그리고 공항 등의 인프라로 이러한 비약적인 화물량의 증가를 감당하는 것은 거의 불가능해 보이며, 더 이상의 인프라 구축이 필요 없는 하이브리드 비행선이 거의 유일한 해결책으로 등장할 것이다.

군사 분야에서도 하이브리드 비행선은 절실하게 요구된다. 걸프전은 현대전에서 하나의 전환점이 되었다. 미군은 걸프전에서 탱크, 장갑차와 같은 중화기는 선박으로, 총과 탄약 그리고 소형 대포등의 경화기는 군 수송기로, 병력은 민항기로 수송하였다. 이 모든 물품과 병력이 서로 다른 장소와 다른 시간에 도착하였고, 이들은 하나의 완편된 전투 체계로 재편하는데 매우 많은 시간과 노력이 소요되었다. 현대전에서 하나의 부대를 완전 무장한 채로 전선에 투입하는 것은 전쟁을 승리로 이끄는데 필수적이다.

걸프전에서 항구에서 전선으로 병력을 운송하기 위해서 3,000여대의 트럭이 필요했는데, 이 트럭을 걸프만으로 이동시키는 것 또한 매우 큰 문제중의 하나였다. 걸프전에서 이 모든 것을 수행하는데 5개월 반이라는 세월이 소요되었다. 또 걸프전은 사우디 아라비아가 공항과 항만을 제공하고 식수와 연료를 공급하였기 때문에 이 모든 것이 가능하였다. 만약 하이브리드 비행선을 사용한다면, 공항과 항만이 없는 곳에 완편된 병력을 충분한 보급물자와 함께 전선에 곧바로 투입하는 것이 가능하다.

아프리카의 르완다에서 발생한 위기는 하이브리드 비행선 필요성을 잘 보여주고 있다. 르완다 위기가 발생했을 때 미국을 포함한 서방은 개입을 포기하였다. 개입을 포기한 큰 이유중의 하나가 바로 병력의 수송과 보급 그리고 후퇴가 쉽지 않았기 때문이다. 르완다에서 가장 가까운 항구도 1,000 km가 떨어져 있었으며 이 항구에서 르완다로 이어지는 도로도 많은 병력과 물자를 수송하기에는 역부족이다. 하이브리드 비행선을 사용할 경우 이 모든 문제는 해결이 가능하다.

4. 기술적 과제

하이브리드 비행선의 가장 큰 현안 문제는 비행 안정성 확보여부이다. 하이브리드 비행선은 기존 비행선에 비해 매우 빠른 속도를 가지므로 비행시 불안정성이 보다 커진다. 이 문제는 꼬리날개의 조종력을 증가시킴으로써 해결될 수 있는데, 이는 꼬리날개 크기의 증가를 유발하고, 후방 동체 부분에 응력 집중을 발생시킨다.

꼬리날개를 크게 할 경우 발생하는 또 하나의 문제는 돌풍이다. 하이브리드 비행선은 주로 낮은 고도를 비행하도록 설계되며, 이 비행영역은 일반적으로 돌풍이 매우 거센 영역으로 알려져 있다. 돌풍하중을 고려한 비행선 구조 설계는 후방 동체에 전체적인 구조 중량을 증가시킨다.

하이브리드 비행선은 전체 양력의 40%를 공력하중으로 발생시킨다. 이는 비행선의 외피가 굽힘 모멘트를 전달할 수 있는 구조로 제작되어야 함을 의미한다. 주로 외형은 탄소 복합재료를 사용하여 제작할 것으로 예상되나 아직 충분한 경제성을 갖춘 재료는 개발 중에 있다.

SkyCat1000의 경우 길이가 300m 이상의 거대 비행체이다. 만약 AT사의 계획이 성공적으로 진행된다면, SkyCat1000은 세계 최대의 복합재 구조물이 될 것이다. 이는 거대 복합재 구조물을 건조하기 위한 제작 기술이 하이브리드 비행선의 개발에 필수적임을 보여주고 있다. 이외에 군사용으로 사용하기 위해서는 거대 구조물에 대한 스텔스 기술과 방탄 기술 등이 동시에 개발되어야 한다.

Ⅲ. 수송형 대형 비행선

기계 공업과 플랜트 산업에 당면한 문제중의 하나는 산업용 터빈엔진이나 거대중량의 산업부품 등과 같은 부피가 크며 무거운 물품들의 수송문제이다.

현재까지 이러한 문제들은 수송물을 부품 단위로 분해하여 설치장소까지 이동한 다음 조립하여 설치하는 것이다. 하지만 이 방법에 따르면 설치장소에 조립시설을 따로 설치해야 하므로 추가비용이 어마어마한 규모로 증가한다. 또 설치장소까지는 자동차나 선박으로 접근이 가능해야 한다는 제한조건도 뒤따르게 된다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 독일의 CargoLifter사는 대형 수송용 비행선인 CL160을 개발중이다. 현재 구상중인 비행선 중 가장 큰 크기로 기록될 CL160은 260m의 길이에 65m의 직경을 가지는 대형 비행선으로 160ton의 화물을 공급자로부터 수요자까지 1대 1로 운송할 것이다.

CL160은 반경식(semi-rigid) 비행선으로, 천으로 제작된 기낭의 하부에 킬빔(keel-beam)을 설치하여 전체적인 하중을 담당한다[그림 16]. 또 기낭의 전후방에 기동용 엔진(maneuvering engine)을 설치하여 꼬리날개로 조종이 불가능한 정지시나 낮은 속도시의 조종성을 향상시켰다.

현재까지 비행선은 주로 승객수송에 사용되었다. 비행선이 화물수송에 사용되지 않은 이유 중 하나는, 비행선이 이착륙하기 위해서는 정적중량(static heaviness)을 유지해야 하기 때문이다. 정적중략은 부력보다 비행선의 중량을 약간 크게하여 비행선을 안정화시키는 것을 말한다. 하지만 이 정적중량은 비행선에서 화물을 내리는 순간 깨지게된다. 이 문제를 효과적으로 해결하기 위해 CL160은 물을 발라스트(Ballast)로 이용한다. 화물을 내릴 때 지상에서 펌프를 이용하여 같은 중량의 물을 비행선에 싣게되는 것이다.

CargLifter사는 CL160을 개발하기 위하여, 먼저 Joey라는 시험기를 개발하였다[13]. 1997년 봄에 개발을 시작한 CL160 모델의 타당성을 입증하고, JAR21에 따른 인증을 획득하기 위한 기본사항들을 수립하고, CL160 설계개념을 시험하기 위해 제작되었다. 1999년 10월 18일에 초도비행에 성공한 Joey는 기낭의 압력 시험과, 킬빔과 꼬리날개에 대한 구조하중 시험, 그리고 노즈콘과 곤돌라의 낙하시험 등의 구조부품시험과 조종간, 헬륨밸브, 공기 흡입구 등과 같은 기능부품 시험을 수행했다. 또 지상시험과 비행시험을 통하여 비행성능 밎 특성을 확인하고, 전기 부품과 기계부품의 작동성을 확인하였다.

비행선을 운용하는데 있어 비행선을 보관하고 제작할 행거(hanger)의 확보는 필수적이다. CargoLifer사는 CL160의 운용을 위하여 베를린 근교의 브랜트(Brand)에 길이 360m, 넓이 210m, 높이 107m의 거대항 행거를 2000년 말에 건축하였다[그림 18]. 이 행거는 전세계에서 가장 큰 행거중 하나이다. CargoLifter는 2000년 말 이후로 이 행거에서 CL160을 제작하고 2004년 이후로는 년간 4대의 비행선을 운용할 계획이다.

Ⅳ. 결론

21세기가 시작되면서 비행선에 대한 관심이 전 세계적으로 고조되고 있다. 화석연료 가격이 상승함으로써 보다 경제적인 운송수단의 출현이 보다 절실해 졌다. 또 중국과 인도 그리고 아프리카와 같은 인프라가 충분히 구축되지 않은 지역이 새로운 결제 발전 지역으로 떠오르면서 새로운 대규모 사회 간접시설 구축을 필요로 하지 않는 비행선과 같은 운송수단이 새로이 시장에 진출할 기회가 확대되었다. 또 기존의 광고와 관광영역에 머물렀던 비행선의 적용분양가 통신중계, 지구관측, 화물수송 그리고 정규 승객운송 노선까지 확대할 수 있음이 밝혀지고 있다. 새로운 기술의 발달로 군사분야에도 폭넓게 비행선을 사용할 수 있을 것으로 예상된다.

신개념의 비행선에 대한 수요가 증가함에 따라 전세계 각국에서 이를 개발하기 위하여 많은 연구 인력과 자본을 투입하고 있다. 그리고 이러한 개발은 주로 각국의 정부와 연구소 그리고 관력기업들에 의해 주도되고 있다.

지난 세기에 초 중반에 걸쳐 비행기가 유력한 운송수단으로 개발되었다. 이때 우리나라는 전쟁 그리고 저개발 등의 이요로 개발에 적극적으로 참여하지 못하여, 항공 선진국과의 격차가 쉽게 회복할 수 없을 만큼커져 버린 것이 사실이다.

새로운 세기에는 비행선이 새로운 운송수단으로 전 세계에 걸쳐 광범위하게 연구 개발될 것이 유력시되고 있다. 이때 우리가 적극적으로 이 개발에 참여하지 않는다면, 비행기 개발에서 뒷쳐졌듯이 21세기의 유력한 운송수단인 비행선 시장에서도 우리는 수요자에 머무르고 말 것이다.

강왕구 김동민 이진우 염찬홍 임철호 한국항공우주연구원

발췌:항공우주학회지 2001년 3월


하이브리드 비행선 실제 개발사례
http://www.hybridairvehicles.com/civilheavylift.aspx

[사이언스 in 뉴스] 두둥실 하늘에 뜬 고래 "북한 꼼짝마

관측·감시용 국산 무인비행선 '에어로스탯' 시험 성공


고도 1㎞서 망루처럼 내려다 봐

저공 침투 비행기 감시에 최적

유지비도 정찰기보다 훨씬 싸

지난 10일 전라남도 고흥의 한국항공우주연구원 비행시험센터. 줄이 풀리면서 고래처럼 거대한 하얀 비행선이 하늘로 솟구쳤다. 관측·감시용 고공 무인 비행선 에어로스탯(aerostat)이다. 길이 33m, 무게 1.45t의 육중한 에어로스탯은 20분 만에 고도 1㎞ 상공까지 올랐다. 국내 기술로 제작한 에어로스탯이 고도 1㎞ 상공에서도 정상 작동한다는 것을 최종적으로 확인한 순간이었다. 에어로스탯은 줄에 고정된 채 상공에 머무르면서 지상을 관측, 감시한다.



이날 최종 점검에서 에어로스탯은 탑재 카메라의 방향을 바꿔 지상을 지나가는 차량을 확대해 비춰주기도 했다. 고도에 따른 기온, 풍속 등의 기초 기상 정보를 전달해 주는 것은 기본이다.



◆가벼우면서 튼튼한 동체가 핵심



항공우주연구원 김동민 박사팀이 개발한 에어로스탯에는 공기보다 가벼운 헬륨 기체가 채워져 있어 하늘로 오를 수 있다. 헬륨은 공기보다 가볍지만 압력은 1000분의 4 기압 정도 높다. 이런 미세한 기압 차이로 에어로스탯의 본체가 바람 꽉 찬 풍선처럼 팽팽해진다.





에어로스탯은 헬륨이 밀어내는 힘을 견딜 수 있게 외부 재질이 튼튼해야 한다. 하지만 튼튼한 것만 고집하다간 중량이 너무 무거워진다. 튼튼하면서 가벼운 재질을 개발하는 것이 기술의 핵심이다. 김 박사팀은 세 겹의 복합섬유를 하나로 붙여서 에어로스탯의 동체를 제작했다. 무게를 가볍게 하기 위해서 복합섬유 층 사이를 붙이는 접착제로 우레탄을 채택했다. 가볍고 탄력이 좋은 것으로 유명한 우레탄은 끈적거림이 있어서 접착제로 활용할 수 있었다.



이번에 개발된 에어로스탯은 10일간 상공에 머무를 수 있다. 공중 체류 시간은 헬륨이 빠져 나가는 정도에 따라 정해진다. 몸집이 클수록 지니고 있는 헬륨 양이 많아 에어로스탯의 체류 시간도 길어진다. 미국 티콤(TCom)사에서 시판하고 있는 길이 72m짜리 에어로스탯은 한 달간 하늘에 머무를 수 있다.



에어로스탯에 카메라를 설치하면 무인 감시가 가능하다. 고도 1㎞ 정도에서 시판 중인 고성능 카메라를 부착하면 80㎞ 반경의 자동차를 식별할 수 있다. 여기에 영상정보 처리 기술을 더하면 새로운 자동차나 탱크가 출현했는지 알아낼 수 있다. 이전 촬영 사진을 비교해 변화가 생긴 물체만을 따로 골라내는 기술이다.



찬 바람 속에 에어로스탯이 흔들리면 탑재한 카메라가 관찰해야 할 장면을 놓칠 수 있다. 이 문제는 자세안정화 장치가 해결한다. 에어로스탯 동체가 시계방향으로 10도 움직이면 자세안정화 장치가 카메라를 반시계방향으로 10도만큼 옮겨 주는 식이다.







▲ 한국항공우주연구원에서 제작한 에어로스탯이 최종 점검을 위해 10일 전남 고흥의 비행시험센터에서 하늘로 올라가고 있다. 에어로스탯은 한곳에서 지속적으로 감시할 수 있어서 해안선 감시·저공 비행기 감시 등에 적합하다. /조호진 기자 superstory@chosun.com ◆저공 침투 항공기 감시에 적격



에어로스탯은 저공 비행하는 경비행기를 감시하는 데 최적이다. 레이더는 지상에서 전자기파를 하늘로 쏴 비행 물체가 반사시킨 전자기파를 잡아내는 원리를 사용한다. 레이더와 비행 물체 사이에 장애물이 없어야 한다. 만일 계곡 사이를 비행기가 저공 비행한다면 레이더는 속수무책인 것이다.



하지만 에어로스탯은 망루처럼 공중에 솟아 올라 아래를 내다보며 침입자를 감시하니 저공 비행하는 경비행기도 추적할 수 있다. 현재 미국의 샌디에이고~플로리다 국경에 티콤사에서 제작한 16개의 에어로스탯이 경비행기 감시용으로 떠 있다. 물론 글로벌호크 같은 유·무인정찰기도 저공 침입하는 비행기를 추적할 수 있다. 하지만 에어로스탯은 유·무인 정찰기에 비해 운영비용이 10~20분의 1 정도 저렴하다. 국방과학연구원 구훤준 박사는 "유지 비용을 고려해 일상적인 감시는 에어로스탯이 담당하고, 특별한 사건을 포착하면 글로벌호크가 출격하는 식으로 역할 분담이 이뤄진다"고 말했다.



이날 시험 점검을 참관한 우리 군 관계자들도 성능에 만족감을 표시한 것으로 알려졌다. 향후 서해 바다에서 중국 어선을 감시하거나 비무장지대에서 북한의 움직임을 주야로 감시하는 '하늘의 고래'를 볼 가능성이 높아졌다.

비행선기술과 성층권 플랫폼 (중편) -한국항공우주연구정보센터/비행선관련특허정보도 있음.

비행선관련 특허정보
http://www.aric.or.kr/Treatise/patent/content.asp?idx=9131&Country=&App_year=&App_month=&search=비행선&search_fild=all&page=



∼ 비행선의 원리와 성층권 ∼


시바타 마코토 (항공우주기술진흥재단)

비행선의 비행 기본

기구는 부력과 중력이 완전하게 균형이 맞지 않으면, 상승하든가 강하하든가 어느쪽이든 된다. 그것에 비해서 비행선은 그림 5에 나타낸 것처럼, 완전하게 균형이 맞지 않더라도, 선체에 움직이는 양력을 이용하여, 수평으로 비행할 수가 있다. 부력은 항상 미묘하게 변화하기 때문에, 부력과 중량을 완전히 조화시키는 것은 실제 문제로서 매우 어려운 것이다. 따라서 비행선은, 어느 Static heaviness (부력보다도 중량이 무거운 경우) / lightness (부력 보다도 중량이 가벼운 경우)의 범위를 허용하여, 선체에 움직이는 양력도 이용하면서 비행한다.

수평 비행의 경우, 선체의 양력은 Static heaviness/lightness의 수치에 완전하게 조화하고 있다. 단 Static heaviness/lightness 때는 선체의 영각이 마이너스로 양력은 하향하게 된다. 어찌 됐든 비행선은 양력 발생에서 보면, 중량에 비해 아주 도체가 큰 비행기가 비행하고 있는 것과 같다.

비행선의 공력 특성

선체가 양력을 가지면, 그것과 동반하여 유도항력이 발생한다. 그림 6에 전형적인 비행선의 양항 곡선을 나타내지만, 유도 항력은 완전히 양력의 자승에 비례하는 것을 안다. 비행선도 기본적으로는 비행선과 똑같이, 이 유도항력이 양력 자승에 비례하는 범위, 이른바 흐름이 박리하지 않도록 비행한다.

선체의 aspect 비는 세장비 4의 회전타원체 일 때 0.32 (=1/π)로, 이것은 보통 날개에 비교하면 자못 작은 수치이다. 하지만 비행선의 경우 양력을 선체 폭으로 나눈 스팬 하중은 static heaviness/lightness 분 정도이다.

비행선에는 부력으로 비행한다고 하는 의식이 강하기 때문인지, 기본적인 공력 특성이 그다지 설명되는 일이 없다. 그리고 비행선에 있어서는 종종, 비행성능에 직접 연결 짖는 제로 양력 저항계수 CDO만이 논의된다. 하지만 이상에서 본 것처럼, 비행선에 있어서도 양력과 모멘트도 포함시킨 전체적인 공력 특성이 비행기와 똑같이 중요하다. 비행선의 개발에 있어서도 가능한 한 상세한 풍동시험을 실시하는 것이 바람직한 것은 이 때문이다.

비행선에서의 미익의 움직임

비행선에서의 미익의 움직임은, 우선은 비행기와 똑같이 안전성을 주기 위해서다. 단 방향 안전에서 말하면 비행선은 마이너스이기에 불안전도를 줄인다고 하는 표현쪽이 정확할지도 모른다. 비행선은 운동을 천천히 하기 때문에, 방향 안정이 마이너스로 있더라도 조종에 의해 수정하면서 비행한다. 조종성도 공력적으로는 마이너스이지만, 중심위치가 부력 중심보다 낮기 때문에, 진자 안정의 효과가 있어 전체 기체로서는 안정되게 된다.

미익은 비행선의 경우, 안정 조종성을 위해서만 필요한 것이 아니라, 선체에 양력을 발생시키기 때문에도 필요하다. 그림 6의 미익이 없는 데이터에서 알 수 있듯이, 선체만으로는 공력적이기에는 단순한 나무토막이며, 미익을 부착하는 것에 의해 처음으로 항공기다워진다. 이른바 비행기의 주익 역할도 하는 것이 비행선의 미익이다.


비행선의 상승 비행

비행기에서는 상승할 때는 엔진을 고속으로 회전시키든가, 발생시켜 속도 에너지를 고도 에너지로 바꾸지 않으면 안된다. 비행선에서도 Static heaviness때는 움직임은 천천히 움직이지만 비행기와 똑같은 원리가 된다. 이것에 비해 Static lightness때는 잉여 부력으로 상승할 수 있다. 잉여 부력에 의한 상승시 힘의 균형을 그림 7에 나타내지만, 설령 무동력이라도 일정한 비행 속도를 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.

보통 비행선은 Static heaviness로 비행하는 것이 많기 때문에, 이 같은 상승은 그다지 경험하지 않는다. 성층권 비행선의 상승 방식으로 정설은 아니지만, 고 고도까지 상승하지 않으면 안되기 때문에. 이 잉여 부력에 의한 방법은 유력한 후보가 될 것으로 생각된다.

비행선의 강하 비행

Static heaviness때 강하 비행은 글라이더 활공과 같다. 이 때 힘의 균형은 그림8에 나타낸 것처럼 되며, 무동력이라도 비행속도를 유지할 수 있다. 단 비행선에서 강하 비행은 상승 비행 보다도 어려운 면이 있다. 강하와 동반해 대기압이 높아지는 것과 함께, 선체 내압을 올려 차압을 유지하며, 선체 형상을 유지하지 않으면 안된다.

즉, 송풍기를 운전하여, 공기를 baronet에 적절하게 넣을 필요가 있다.

Static lightness 강하는, 하향 양력을 발생하면 불가능하지는 않다. 하지만 추진력을 크게 하여 하향으로 잡아당겨 넣을 필요가 있기 때문에, 강하해야 할 고도가 높을 때는 현실적인 비행방식이라고는 할 수 없다. 보통 비행선에서는 고가의 헬륨을 배출하지 않는 것이 원칙이지만, 성층권 비행선에서는 성층권으로 왕복횟수가 한정되기 때문에, Static lightness때는 헬륨을 배출해 heaviness로 한다고 하는 사고방식이 성립한다.

성층권의 자연환경

지상에서 고도 11km정도까지를 대류권이라고 부르며, 그 위에 고도 50km까지를 성층권이라고 한다. 보통 비행기가 비행하는 것은 대류권과 성층권 하부로, 그 위 공역은 현재 그다지 이용되지 않는다. 현재 제트 여객기의 상승한도는 기껏해야 15km정도이다. 초음속 여객기의 순항 고도는 18km에서 22km정도에 이르지만, 1976년부터 정기편으로 취항하고 있는 콩코드도 상업운항 중지가 보도되고 있다.

성층권비행선은 연간을 통해 바람이 비교적 약한 고도 20km정도에서 체공하는 것을 목표로 한다. 목표 고도를 내리면 기체규모는 작아지지만, 공기 저항이 강해져 속도성능이 저하하기 때문에, 그 의미에서도 20km정도가 타당하다고 일반적으로 생각되고 있다.

표준 대기 압력과 온도의 고도 변화는 그림 9에 나타낸 대로이다. 대부분의 기상 현상이 대류권에서 일어나는 것에 비해, 성층권은 항상 맑은 날씨고, 저온이지만 습도는 거의 없다. 또한 고도 20km부근에는 오존이 많이 존재하고, 태양에서 자외선을 흡수하고 있기 때문에, 지구 환경에 있어 중요한 부분도 있다. 성층권 비행선용의 막 재료는 경량이고 고강도만이 아니라, 저온에 견디는 한편 자외선에 열화하지 않는 성질도 요구되고 있다.

대형이 된 성층권 비행선

고도가 높아지면 대기 밀도가 작아지고, 얻을 수 있는 부력의 수치도 작아 진다. 고도 20km의 대기밀도는 지상의 약 1/14밖에 없다. 설계고도 3km와 20km의 경우를 비교하면 같은 하드웨어 중량, 헬륨량에 비해서, 그림 10에 나타낸 것처럼 선체 규모가 약 한 자릿수가 달라졌다. 이처럼 성층권 비행선은 적어도 길이로 2배, 면적에 4배, 용적에 8배는 각오하고 계획하지 않으면 안된다.

또한 설계 고도를 20km로 하면 지상에 있어서는 헬륨이 선체 용적의 약 7.3%밖에 안되고, 남은 92.7%는 공기가 차지해 버린다. 이 일로 헬륨이 편향되면 그것과 동반된 트림문제가 생긴다. 그리고 저공에서는 gross 중량이 매우 켜져, 해면상에서는 고도 20km에서의 수치 약 14배가 된다. 선체가 커지는 것은, 지상에서 gross 중량이 무거워지기 때문에, 성층권 비행선의 지상에서의 취급과 이착륙에 관해서는 여러 가지 검토가 이루어지고 있다. 그 중에는 지상에서는 기구처럼 오므라든 형태로 해 두고, 상승과 함께 비행선 형체가 되어 간다고 하는 구상도 생각되고 있다.

사상최대의 비행선은 마지막 경식 비행선이 된 LZ130 그라프 체펠린 Ⅱ로, 선체용적은 200,000㎥, 전장은 245m이다. 성층권 비행선은 실용단계에서는 이것을 꽤 상회하는 선체 용적이 될 것으로 예상되고 있다. 또한 지금까지 만들어진 최대 연식비행선은 1958년에 초도 비행한 Goodyear ZPG-3W이지만, 선체 용적은 43,000㎥, 전장은 123m이다. 성층권까지 상승시켜 비행선으로서 무언가 기술실증을 하고자 하면, 적어도 이 정도의 것이 될 가능성이 높고, 약 50년 만에 비행선 대형화 기록을 갱신하게 될 것이다.


열 문제와 성층권 비행선

비행선은 열의 영향을 강하게 받는다. 예를 들어 비행선이 구름 아래를 빠져나가 직사일광을 받으면, 부력이 늘어나 상승을 시작한다. 선체 내부의 헬륨과 공기 온도가 바깥 기온보다도 높아지는 것을 Superheat라고 하며, 반대로 낮아지는 것을 Supercool이라고 한다. 후자는 보통 비행선에서는 그다지 일어나지 않기 때문에. 주로 Superheat가 여러 가지 설계와 운용에 있어 과제가 될 것으로 생각된다.

비행선 설계에서는 이 현상을 피하기 위해서, 선체의 흡수율과 방사율에 관해서 배려할 필요가 있다. 막 재료의 선정에 있어서는 강도 등 역학적인 요소만이 아니라, 열에 관한 물성치도 중요한 항목이다. 운항회사에서는 예를 들어, 태양광 흡수율이 커지는 도색은 피하고, 광고를 목적으로 하는 비행선이라도, 그 의장과 색채에는 어떤 제한을 설치하는 것이 보통이다.

성층권 비행선에서 이 문제는, envelope에 부착하는 태양전지로부터 열의 유입이 있기 때문에 보다 엄격한 기술과제가 된다. 즉, 낮 동안에 Superheat와 밤의 방사냉각의 24시간 사이클의 온도 변동에 대처하지 않으면 안된다. 대기와의 온도차가 문제이기 때문에, 항상 대기속도를 유지, 외기와 열적으로 결합시켜 비행하는 것이 가장 유효하다고 생각된다


Superheat와 선체 차압

선체내의 헬륨과 공기는 온도가 올라가면 팽창하고자 하기 때문에, 선외에서 배출하지 않는 한 압력이 상승해 버린다. 온도와 압력의 관계는 기체의 상태 방정식으로 구할 수 있지만, 어떤 차압의 범위에서 허용되는 Superheat는 그림11에 나타낸 것처럼 고도와 함께 늘어나 간다. 어떤 온도 변화에 의한 압력의 변화의 절대치는 압력과 함께 작아지기 때문이다. 이 현상은 성층권 비행선이 성립하기 위해서 매우 중요한 것이고, 설계 고도를 올리는 것은 기체 규모가 커지는 반면, 어떤 차압의 범위에서 허용되는 Superheat를 크게 할 수 있다는 것을 의미한다.


정점체공 비행과 비행선

비행선은 원리적으로는 호버링할 수 있는 항공기이지만, 실체로는 무언간 특별한 제어력을 주지 않는 한 불가능하다. 제어의 관점에서 불가능한 것만이 아니라, 열 면에서 보더라도 대기속도를 가지는 것에 의해 대기와 열적인 결합을 유지하고 있기 때문에 호버링은 바람직하지 않다. 또한 Static heaviness/lightness도 완전하게는 제로로 할 수 없기 때문에 고도 유지를 위해서라도 양력을 이용할 필요가 있어, 대기 속도를 제로로 할 수 없다.

따라서 바람이 있을 때는 지상에 대해서 정지할 수 있어도 무풍일 때는 어느 범위를 비행하게 된다. 단지 실제로는 완전히 무풍이 되는 것은 드물고, 또한 그다지 계속되지 않기 때문에 비행선은 지상에 대해서 거의 정지할 수 있다고 생각된다.


지상 운용기술도 Key Technology

비행선에 있어 지상운용기술은 매우 중요하며, 초기부터 많은 경험을 거듭해 쌓아가며 조금씩 실용성을 높여 왔다. 유효한 발명의 하나가 기수 mast 이다. 야외에서 비행선은, 기수를 mast로 결합한 상태로 체류 된다. (사진4). 이 때 비행선은 그림 12에 나타낸 것처럼, mast주변을 자유롭게 360도 회전하며, 풍향계 안정으로 항상 선수를 바람이 불어오는 쪽으로 향하도록 되어 있다.

횡풍에 의한 공기력은 정대풍에 의해 한자리 수 커진다. 횡풍에는 거슬러 나아가지 않는 방식으로, 비행선은 지상계류가 가능하지만, 계류에 필요한 면적은 이 원을 기준으로 결정되기 때문에, 비행기처럼 바로 서로 이웃하여 주기 할 수는 없다. 또한 비행선은 횡풍 상태에서 이착륙이 가능하지 않는 것도 있고, 비행기처럼 활주로 길이라기보다, 면적의 확장으로 운용가능할 지 어떨 지가 정해진다.

현재 비행선에서는 이착륙은 기본적으로 Static heavy한 상태이며, 또한 비행선에 의해서는 추력의 틸트도 병용하며, ground crew의 감소를 실현하고 있다. 동시에 대형 경식비행선의 지상운용에는, 수백명의 ground crew를 필요로 하였다. 현대는 그것이 허락되는 시대가 아니기 때문에, 대형이 되지 않을 수 없는 성층권 비행선에게 있어서는 이러한 지상운용기술도 key technology의 하나이다.

ps : 이미지(그림)는 본 내용에 싣지 않았습니다. 양해해 주시기 바랍니다


출처 : 일, 航空技術 03년 11월 호

중학교 과학책 = 기본원리 충실

http://www.kaicamp.co.kr/html/mn03/030102.php?mode=view&idx=13

나노구조 소재를 이용한 태양 전지 동향 II

나노구조 소재를 이용한 태양 전지 동향 II

http://infosys.korea.ac.kr/ippage/p/ipdata/2004/01/file/p200401-701.pdf

박막을 이용한 태양전지 개발은 많은 진전이 있었으며 실용화를 위해서 많
은 연구가 계속되고 있다. 반면에 나노구조 소재를 이용한 태양전지 연구는 기초
연구단계로서 광-전기 변환효율이 매우 떨어진다. 하지만 진공용기에서 고온 증착
을 하는 기존 태양전지에 비해서 적은 비용과 적은 에너지를 소모한다. 전세계에서
연간 사용되는 에너지는 20 TW (20 × 1012 watt)로 추산된다. [1] 소비되는 모든 에
너지를 10% 효율의 태양전지로 대체하려 한다면 대략 남한면적의 4배 이상의 면적
이 필요하다. 진공 및 CVD를 기반으로 하는 기존 태양전지 생산 기술로는 석유고
갈이 예상되는 수십 년 내에 이러한 면적을 대체하기가 어려울 것으로 예측하고 있
다. [2] 이러한 점을 감안할 때 태양전지의 효율 뿐만 아니라 생산성 까지 고려한
새로운 개념의 태양전지 개발이 필요하다. Sol-gel법을 이용한 TiO2 전극형성 및 다
양한 유기물 dye 흡착을 통해서 형성되는 nanocrystalline TiO2 dye-sensitized
solar cell (DSSC)은 최고 10%변환효율을 나타낸다. 태양전지 생산방법 이나 효율
을 고려할 때 DSSC는 향후 실용화를 위한 유망한 대안이라고 생각된다. 이번 연재
에서는 이러한 특성을 지닌 DSSC의 원리, 구조 및 최근 연구 방향 등을 소개하고
자 한다.
1. DSSC 구조 및 특성



그림1 Nanocrystalline TIO2 dye-sensitized solar cell의 구조 [3]
그림1에서 표시한 바와 같이 투명한 상부전극을 통과한 빛은 dye에 흡수된
다. 빛에 의해 여기된 dye는 전자를 방출하고 cation이 된다. 방출된 전자는 TiO2
nanocrystal network을 따라서 상부전극으로 이동하여서 외부로 전류를 공급하게
된다. 한편 cation으로 바뀐 dye는 I-와 반응해서 환원되어 I3
-가 생성된다. 태양전
light
e- e-
ee-
TiO2 nanocrystal
Dye
e- e- Electrolyte
I- I3
-
Load
Transparent Conducting Oxide
지 외부에서 에너지를 전달한 전자는 counter 전극에 도착해서 I3
- 를 다시 환원시
켜서 I-를 생성한다. 다음은 DSSC 구성요소에 대한 자세한 설명이다.
- Transparent Conducting Oxide
DSSC 최상부는 transparent conducting oxide (TCO)가 coating된 glass로
이루어져 있다. 높은 효율을 얻기 위해서는 낮은 면저항과 높은 투과도를 가져야
하며 일반적으로 TiO2 전극의 sintering 처리 온도인 500℃ 까지 안정해야 한다.
Indium-tin oxide (ITO)가 대표적인 TCO라 할 수 있다.
- TiO2 전극
TCO 하부에는 nanocrystalline 구조의 TiO2 전극이 있다. TiO2 전극의 장점
은 화학적 안정성과 넓은 표면적이다. 일반적으로 Si, GaAs, InP, CdS 등의 반도체
물질을 용액상로 태양광에 장시간 노출시키면 photocorrosion에 의해서 분해된다.
하지만 TiO2와 같은 금속산화물 반도체는 이러한 조건에서 안정성이 뛰어나다. 이
러한 안정성으로 인해서 TiO2외에도 SnO2, ZnO 등과 같은 많은 금속산화물이 태양
전지의 전극으로 사용된다. TiO2 전극은 TiO2 colloid 용액을 TCO 표면에 coating한
후 500℃ 부근에서 가열해서 얻게 된다. 열처리 과정을 통해서 10 ~ 30 nm 크기의
TiO2 입자가 형성되며 nanoporous 구조가 얻어진다. 이러한 nanoporous 구조는
두께 10 ㎛, 면적 1 cm2 인 TiO2 박막의 경우 실제 표면적을 1000 cm2 까지 증가
시킬 수 있으므로 단결정과 같이 표면적이 작은 전극에 비해서 많은 양의 photosensitizing
dye를 흡착시킬 수 있다.
- Photosensitizing Dye
태양광의 대부분을 차지하는 가시광 (400 ~ 800 nm)에 대한 흡수능력이
뛰어난 photosensitizing dye는 대부분은 Ru complex들이다. 그림2와 같은 분자
구조를 가지며 가시광 흡수는 중심금속인 Ru에서 ligand로의 전하 전이에 의한 것
으로 알려져 있다.
RuL3 RuL2(NCS)2 (N3 dye) RuL’(NCS)3 (Black dye)
TBA: tetrabutylammonium cation, ((C4H9)4N+)
그림2 Ru complex photosensitizer들의 분자구조 [3]
- Redox Electrolyte
DSSC에 사용되는 electrolyte는 I-/I3
- redox ion으로 구성되어 있으며 TiO2
전극과 counter 전극 사이에서 전자를 전달하는 역할을 한다. 실제 구성은 LiI, NaI,
KI 등이 I2와 함께 acetonitrile 등과 같은 nonprotonic solvent에 녹아있는 용액이다.
태양전지의 성능은 counter cation (Li+, Na+, K+)에 영향을 받는데 이는 counter
cation의 확산속도, TiO2 표면 흡착 능력 때문인 것으로 알려져 있다.
- Counter 전극
(Dye cation)-(I-
anion)간의 환원-산화 반응에 의해서 형성된 I3
- 는
counter 전극에서 다시 I- 로 환원된다. 따라서 counter 전극은 활성이 뛰어나야 한
다. 이를 위해서 Pt가 coating 된 TCO이나 carbon 전극을 사용한다.
2. DSSC 개선 방법
본 절에서는 기존 DSSC의 문제점을 개선할 수 있는 방법들을 각 요소 별
로 정리해서 소개하고자 한다.
- TiO2 전극 개선
Nanocrystalline 구조의 TiO2 전극에서 N2, 혹은 Ar 흡착에 의해서 측정된
표면적은 매우 넓다. 하지만 pore의 크기가 일정하지 않으며 photosensitizing
dye를 흡착할 수 없는 수 Å 이하의 micropore의 비중이 상당 부분을 차지한다.
TiO2 전극 내부의 pore 크기를 mesopore 영역 (1 ~ 10 nm)에서 일정하게 조절
할 수 있다면 보다 효율적인 photosensitizing dye 흡착이 가능할 것으로 판단된
다. 최근 self-assembly법에 의한 mesoporous TiO2 박막 형성 연구가 진행되면
서 pore 크기가 2 nm 이상이며 일정한 규칙으로 배열된 TiO2 박막이 보고되기도
하였다. [4-6] 하지만 아직까지 photosensitizing dye를 흡착한 결과에 대한 보고
는 없었으며 전도성 고분자인 poly(3-hexyl thiophene)을 mesoporous TiO2 박막
내부에 넣어서 태양전지에 응용하고자 하는 시도가 있었다. [7] 하지만 고분자가
pore 내부로 충분히 들어가지 않아서 우수한 태양전지의 특성을 나타내지는 못했
다.
TiO2 전극 표면에서는 dye에서 방출된 전자를 collecting 전극으로 이동시키
는 역할을 해야 하지만 일부 전자를 dye로 되돌려 주거나 dye를 산화시키는데
사용되기도 한다. 이를 방지하기 위해서 그림3에서와 같이 TiO2 보다 energy
barrier가 큰 N2O5, SrTiO2를 TiO2 표면에 coating 하여서 DSSC의 효율을 기존
향상시켰다. (SrTiO2, 3.81 -> 4.39 %) [8,9]
한편 TiO2 전극 대신에 band gap이 큰 SnO2, ZnO, In2O3,로 이루어진 전극
을 사용하기도 하였다. 하지만 표1과 같이 효율이 기존 TiO2를 사용한 것에 비해
서 큰 향상을 보이지는 못하고 있다. [10]
그림3 N2O5/TiO2 core-shell 전극의 개념도
표1 Dye-sensitized oxide semiconductor 태양전지의 특성 비교 [10]
전극 Dye η Jsc Voc FF 측정 조건
(%) (mA/cm2) (V)
ZnO N3 2.0 - - - 56 mW/cm2
ZnO Mercurochrome 2.5 7.4 0.52 0.64 AM1.5, 0.09 cm2
SnO2 Mercurochrome 0.65 2.0 0.58 0.56 AM1.5, 0.25 cm2
In2O3 Mercurochrome 0.38 5.4 0.24 0.29 AM1.5, 0.25 cm2
Nb2O5 N3 2.6 0.29 0.61 0.58 520 nm (4mW/cm2), 1 cm2
Nb2O5 N3 1.2 3.3 0.67 0.54 Xe lamp (100mW/cm2)
SrTiO3 N3 1.8 3 0.789 0.70 AM1.5, (1 sun)
SnO2/ZnO N3 8 22.8 0.67 0.5 90 mW/cm2
Nn2O5/TiO2 N3 - 11.4 0.732 0.564 Xe lamp
TiO2/ZnO N3 9.8 21.3 0.71 0.52 Xe lamp (81 mW/cm2)
Nn2O5/TiO2 N3 2.0 7.1 0.68 0.42 Xe lamp (100 mW/cm2)
NiO ( p-type) N3 - 0.2 0.08 - 68 mW/cm2
Nn2O5/TiO2 N3 4.9 13.8 0.61 0.59 AM1.5 (100mW/cm2)
이와는 반대로 TiO2보다 band gap이 작은 mesoporous CeO2를 사용하려는
시도가 있었다. CeO2를 전자를 전달하고 dye를 흡수하는 substrate의 역할 뿐만
아니라 photosensitizer로 동시에 사용하고자 하는 시도이다. Nano입자상태의
CeO2는 bulk 상태 보다 band gap이 감소하여서 doped CeO2 자체로 가시광을
흡수할 수 있다. 1.5 AM 상태에서 0.9%의 광-전기 변환효율을 나타냈다. [11]
아직 효율은 낮지만 적절한 photosensitizing dye와 결합한다면 보다 높은 효율을
나타낼 수 있을 것이라 예상된다.
N2O5 Layer
Dye
TiO2
e-
Collecting 전극
Dye 산화
재결합
Ox
- Photosensitizing Dye
DSSC 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 태양광을 효과적인 흡수할 수
있는 photosensitizer가 필요하다. 최근에는 한가지 dye만을 이용하는 것 보다는
흡수 대역이 다른 두 가지 이상의 dye를 이용하여서 효율을 향상시키려는 시도가
있었다. 두 가지 이상의 dye를 사용할 경우 각각의 dye를 분리하기 위해서 CuSCN
과 같은 electrolyte를[12] 사용하였다. 주어진 조건에서 한 개의 dye를 사용하는
것 보다 두 개의 dye를 사용하는 것이 효율을 높이지만 1.67% 수준으로 매우 낮았
다. 그림4와 같이 Al2O3를[13] 사용하여서 dye는 분리한 경우는 electrolyte로 분리
한 경우와 달리 전자는 TiO2 전극으로 직접 전달되지만 hole은 다른 dye로 전달되
는 것을 확인하였다. 하지만 태양전지 효율에 대한 보고는 없었다.
그림4 Nanocrystalline TiO2 로 이루어진 multilayer co-sensitized 박막의 charge
transfer 개념도 (S=RuL2(CN)2, S = RuPc) [13]
- Redox Electrolyte
DSSC에 사용되는 액체 유기용매 electrolyte는 휘발성이 있으므로 태양전지
제작시 밀봉이 필요하다. 휘발성 용매의 밀봉은 실용화의 관점에서 보면 대규모
module 제작에 있어서는 바람직하지 않은 공정일 것이다. 이러한 문제점을 해결하
고자 휘발성이 없으며 상온에서 액체인 (1-methyl-3-propylimidazolium iodide)를
electrolyte로 사용하여서 AM1.5 조건에서 7.1% 이상의 효율을 확인하였다. [14]
앞에서 사용된 ionic liquid의 iodide를 selenocyanate (SeCN-)로 바꾸자 AM1.5 측
정 조건에서 7.5%까지 효율이 향상되었다. [15] 다른 대안으로는 고체 electrolyte
를 사용하기도 하였다. 그림5와 같은 구조를 갖는 OMeTAD를 이용하였는데 전공
전달물질로 작용하여서 전하를 운반하였다. [16,17]
그림5 OMeTAD의 분자 구조(좌) 및 정공 전도성 물질 (HTM)을 이용한 태양전지
energy level 및 band gap alignment (우)
그림6 Redox electrolyte가 없는 새로운 개념의 태양전지 구조[18]
지금까지 소개한 연구결과들은 모두 전자나 정공이 electrolyte, 혹은 전도성
물질에 의해서 dye에 전달되어야 하는 구조였다. 최근 이러한 전하 전달체가 필요
없는 새로운 개념의 태양전지가 제안되었다. [18] 적정한 dye를 사용해서 전극과의
band gap alignment 조절하면 그림6과 같이 빛에 의해 여기된 전자는 Au 전극을
통과해서 counter 전극에 직접 도달하게 되므로 electrolyte가 필요 없다. 이런 경
우 photosensitizer-전극의 조합을 잘 선택하면 electrolyte에 의한 제한이 없으므
로 좀 더 다양한 종류의 태양전지를 만들 수 있을 것이다.
3. 결론
지금까지 소개한 DSSC는 아직 기존의 태양전지에 비해서 효율은 낮다. 하
지만 새로운 개념이 도입되고 각 구성 요소들의 단점이 보안되어서 효율을 높일 수
있다면 낮은 생산원가로 인해서 대량 보급을 통한 실용화가 가능할 것으로 판단된
다.
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