건물의 유리창이 태양광발전을 할 수 있는 ‘건물일체형 투명 태양전지(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)’가 우리 기술진에 의해 세계 최초로 개발됐다.

지식경제부는 24일 서울 교육문화회관에서 ‘솔-젤 원천 소재 · 공정기술 개발사업’의 결과발표회를 갖고 KAIST 배병수 교수팀과 삼성SDI 중앙연구소 이지원 박사팀이 개발한 건물일체형 투명 태양전지를 발표했다.

건물일체형 투명 태양전지는 지식경제부가 지난 2002년부터 차세대신기술개발사업으로 추진한 ‘솔-젤 원천 소재 · 공정기술 개발’사업의 결과. 솔-젤 소재에 세라믹 공정을 응용한 신소재의 사업화 가능성을 보여준 것으로 평가받고 있다.

특히 투명 태양전지 유리창은 유리 또는 필름에 ‘솔-젤 소재’를 얇게 인쇄함으로써 솔-젤 소재가 햇빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있는 ‘염료감응 태양전지’ 형태로 개발됐다.

이런 염료감응 태양전지는 건물 디자인과 어울리는 여러 색을 선택할 수 있고 투명하기 때문에 유리창으로 이용하면 햇빛을 차단하면서 전기도 생산할 수 있는 장점이 있다.

특히 태양전지를 통해 생산된 전기를 이용해 유리창 색깔이 바뀌는 ‘광전기변색’ 기술도 동시에 개발해 유리창의 색과 명암을 원하는 대로 조절할 수도 있다.

지경부 김진태 바이오나노과장는 “두 기술을 건물 유리창에 적용하면 유리창 자체가 태양광발전을 하면서 색과 명암이 자동으로 조절돼 에너지절약과 실내환경을 쾌적하게 하는 한편 다양한 건물 디자인도 가능해 새로운 건축기술로 각광받을 것으로 기대한다”고 밝혔다.


이번에 국내연구진이 개발한 태양전지는 인쇄공정과 같은 저가의 공정으로 세계 최고 수준의 높은 효율과 전류를 생산할 수 있어 상용화에 성공할 경우, 원천기술 확보와 세계시장을 적극적으로 공략할 수 있는 신성장동력으로 성장할 수 있을 것으로 기대된다.

지경부 차세대 신기술개발 사업 가운데 하나로 진행되고 있는 ‘세라믹공정 솔-젤 원천소재 응용기술 개발’은 세부과제로 5개가 진행되고 있다. △ 삼성SDI의 솔-젤 염료감응 태양전지 △ SKC의 솔-젤 전기변색 윈도 △ KAIST의 초저온 소성 솔-젤 하이브리머 PDP △ LGS의 솔-젤 광도파로 소자 △ 한스바이오메드의 약물담지 솔-젤 생체재료에 대한 연구개발 등이 포함돼 있다.

이날 발표회 및 전시회에선 건물일체형 태양전지 모형 외에 솔-젤 스마트 윈도 에너지절약 주택 모형, 솔-젤 나노태양전지 구동 스마트 윈도, 17.8㎝(7인치) 초저온 소성 솔-젤 하이브리머 PDP, 솔-젤 광도파로 광분배기 소자(초소형 광분배기, 플렉서블 필름 광분배기, 복층형 광분배기), 약물담지 복합 골절 충진재 등도 소개됐다.

◆ 용어설명

① 솔-젤(Sol-Gel) 소재 : 솔-젤 공정은 높은 온도에서 원료를 소성 또는 용융해 세라믹 또는 유리를 만들지 않고, 화학물질의 반응으로 낮은 온도에서 만드는 공정을 이른다. 이를 이용해 만든 재료를 솔-젤 소재라 한다. 솔-젤 소재는 코팅 등 단순한 공정으로 부품을 용이하게 제작할 수 있다. 저온에서 화학반응을 이용하므로 분자 및 미세구조 조절이 쉬워 고성능 나노 무기재료로 활용할 수 있다.

② 염료감응 태양전지(DSSC, Dye-Sensitized Solar Cell) : 반도체 접합 태양전지와 달리 광합성 원리를 이용한 광전기 화학적 태양전지. 비표면적이 큰 나노 입자에 흡착시킨 염료가 가시광을 흡수해 전자를 생성하고 투명 전극으로 전달돼 전류를 발생시키는 원리를 이용한다. 산환-환원 전해질을 포함하기 때문에 산화-환원 속도 및 나노입자 표면제어 기술이 에너지 변환 효율과 밀접한 관계가 있다. 사용되는 소재의 제약이 적고 합성이 용이하다는 게 장점이다. 제조 공정은 고가 증착장비 대신 인쇄공정을 이용, 저가 태양전지 제조에 적합하다. 나노입자 사용으로 투명한 태양전지 제조가 가능하며, 다양한 염료 사용으로 색감 조절도 가능하다. 디자인과 채광이 중요되는 건물일체형 태양전지로 기대를 모으고 있다.

③ 건물일체형 태양전지(BIPV, Building Integrated Photovoltaic) : 건물일체형 태양광 발전 시스템. 태양광 에너지로 전력을 공급하는 본래의 기능 외에 태양광 전지판을 건축물의 외장재로 사용해 건설비용을 줄이고 건물의 가치를 높이는 디자인 요소를 가지고 있다. 기존 독립형 태양광 발전 시스템처럼 설치공간을 위한 별도 부지확보가 필요 없기 때문에 경제성 측면에서 유리하다. 최근 대형 건물의 신재생 에너지 의무화 설치 및 발전차액 제도, 그린빌딩 인증제도 등 제도적 요인으로 BIPV에 대한 관심이 증가하는 추세다. 설치 시 태양 접근성, 건축물과 조화성, 음영 및 설치 각도 등이 주요한 요소로 고려된다.

④ 전기변색 윈도(Electrochromic Window) : 전기화학 반응을 이용해 전기신호에 따라 유리창의 색과 명암을 변하게 하는 전기변색 기술을 적용한 유리창이다. 별도 커튼 없이 일광을 차단하고 적외선 반사로 열 흡수를 방지해 건물의 에너지도 절약할 수 있다. 이 기술을 적용한 유리창을 스마트 윈도라 하며, 자동차 선루프 등에 실제 적용되고 있다. 더 발전된 기술로 전기신호를 별도 전원으로 공급하지 않고, 자체 태양광 발전으로 전기신호를 사용하는 유리창을 광전기변색 윈도(Photo-Electrochromic Window)라 한다.