도심 속 빌딩이 태양광 에너지를 생산한다?

투명 태양전지 패널 개발…적외선 흡수하여 전기 생산

햇빛이나 바람을 이용하는 신재생에너지라고 해서 다 좋은 것은 아니다. 화석 연료에 비해 효율이 떨어진다는 사실은 이미 널리 알려져 있는 사실이지만, 친환경을 표방하는 신재생에너지가 오히려 환경 파괴의 주범이 될 수도 있다는 점은 사뭇 충격적이다.

실제로 태양광 발전이나 풍력 발전은 태양광전지 패널 및 에어로제너레이터(aerogenerator) 등을 설치하기 위해 산림을 훼손하는 경우가 많다. 친환경에너지를 생산하기 위해 환경을 파괴하는 모순된 상황이 벌어지는 것이다.

유리 창문을 태양광전지 패널로 대체할 수 있는 기술이 개발되어 주목을 끌고 있다 ⓒ Ubiquitous Energy

이러한 상황에서, 최근 미국의 에너지 전문기업이 유리 창문을 태양광전지 패널로 대체할 수 있는 진정한 의미의 신재생에너지 기술을 개발하여 주목을 끌고 있다.

태양광 발전 유리 제조의 핵심은 유기 염료

유리 창문을 태양광전지 패널 형태로 개발한 곳은 미국의 에너지 전문 스타트업인 ‘유비쿼터스 에너지(Ubiquitous Energy)’다. 이 회사의 연구진이 만든 유리 창문의 이름은 ‘클리어뷰 파워 윈도우(Clear View Power Window)’다.

이 스타트업의 전신은 지난 2012년 MIT공대 과학자들로 구성된 연구진이다. 이들은 당시 태양광을 전기에너지로 바꿀 수 있는 ‘태양광 발전 유리’를 개발하여 업계의 주목을 받은 바 있다.

태양광 패널을 투명 유리로 개조하는 것은 말처럼 쉬운 일이 아니다. 태양광 패널의 경우 정션박스와 백시트, 그리고 밀봉필름, 태양전지, 강화유리, 프레임 순으로 구성되어 있는데, 이런 부품들이 하나의 시스템으로 작동하면서 빛을 전기로 바꿔준다.

반면에 클리어뷰 파워는 투명한 유리창이기 때문에 이런 부품들을 내장하는 것이 불가능하다. 따라서 전혀 다른 개념으로 제품을 개발해야만 한다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 MIT공대 연구진이 생각한 방법은 바로 유기 염료를 사용하는 것이었다.

클리어뷰 파워 윈도우의 원리 ⓒ Ubiquitous Energy

연구진이 개발한 유기 염료는 일반적인 창문처럼 가시광선을 통과시키지만, 적외선을 포착하는 기능을 갖고 있다. 포착한 적외선이 유리 창문에 흡수되면서 전기로 변환되는 것이다.

유비쿼터스 에너지는 이 같은 기능을 가진 유기 염료 제조기술을 바탕으로 설립됐다. 적외선만을 선택적으로 흡수할 수 있는 염료를 설계하고, 이를 기반으로 하여 빛을 전기로 변환하는 시스템을 공급하는 것이 주요 사업분야다.

물론 본격적인 상용화까지는 아직 갈 길이 멀다. 가장 큰 문제는 효율이 낮다는 점이다. 현재 개발된 유리 창문 형태의 투명 패널은 기존 패널이 만드는 에너지의 3분의 2에 불과하다. 기존 패널도 효율이 낮다는 지적을 받고 있는 상황에서 이보다 더 낮은 투명 패널의 효율은 아무래도 더 약점일 수밖에 없다.

하지만 긍정적인 면도 있다. 아직 투명 패널 창문의 설치비용은 일반 창문보다 20% 정도 비싼 편이지만, 생산 규모가 커질수록 비용은 빠르게 떨어질 수 있다는 것이 전문가들의 의견이다. 설치비용이 현재보다 더 저렴해지고, 설치 장소도 더 많이 늘어난다면 가격 경쟁력을 기대할 수 있다는 것이다.

이에 대해 유비쿼터스 에너지의 설립자이자 최고 기술책임자인 ‘마일즈 바(Miles Barr)’ 박사는 “클리어뷰 파워 윈도우는 초고층 빌딩 창문에 적용될 수 있는 것은 물론, 자동차 유리나 스마트폰 디스플레이에도 적용할 수 있다”라고 전하며 “유리창을 통해 충전하며 달리는 자동차”나 “별도로 충전하지 않아도 되는 스마트폰‘ 등도 기대해 볼 수 있다”라고 말했다

도시도 태양광 발전 장소 될 수 있어

클리어뷰 파워 윈도우와 비슷한 사례는 국내 울산과학기술원(UNIST)의 연구결과에서도 찾아볼 수 있다. 에너지 및 화학공학부의 서관용 교수가 이끄는 연구진은 어둡고 탁한 색을 띠는 실리콘 태양전지를 투명하게 만드는 기술을 개발하여 관심을 모으고 있다.

업계는 UNIST의 이번 연구결과가 도시도 태양광 발전 장소로 가능하다는 점을 제시해 준 청신호로 받아들이고 있다. 상용화에 성공한다면 빌딩 창문이나 대형 유리문을 모두 투명 실리콘 태양전지로 대체할 수 있기 때문이다.

실리콘 태양전지의 경우 에너지로의 변환 효율과 안정성이 높아서 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있다. 그러나 가시광선 영역의 태양광을 흡수해서 전기로 변환해야 하기 때문에 창문처럼 투명하게 만들기는 어렵다는 것이 전문가들의 의견이었다.

이 같은 문제를 서 교수와 연구진은 태양광이 투과될 수 있는 미세구조를 실리콘 소재 위에 형성하는 방법으로 해결했다. 미세구조로 된 부분은 가시광선을 투과하고, 그렇지 않은 부분은 가시광선을 포함한 태양광을 흡수할 수 있도록 하여 투명성을 높인 것이다.

기존 실리콘 전지와 투명 실리콘 전지(우) 비교 ⓒ UNIST

단순히 흡수율만 높인 것이 아니다. 테스트 결과 최고 12.2%의 에너지 변환 효율을 얻은 것으로 나타났다. 이는 기존의 불투명 실리콘 태양전지에 비해서는 아직 미치지 못하지만, 지금까지 나온 투명 태양전지 가운데는 가장 높은 효율이다.

흥미로운 점은 이 미세구조는 사람의 눈으로는 식별할 수 없을 정도로 작아서 그냥 보기에는 투명한 유리로 보인다는 점이다. 따라서 이 무색투명 태양전지는 빌딩 유리창에서부터 시작하여 자동차 선루프까지 다양한 분야에 응용할 수 있다.

이 외에도 기존 실리콘 태양전지 제조 시설을 그대로 이용할 수 있기 때문에 에너지 전환 효율만 높이면 상용화 가능성도 클 것으로 업계는 전망하고 있다.

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