우리 연구진이 설치 환경에 맞게 형태를 바꾸면서 발전 성능까지 유지하는 태양광 기술을 개발했다. 곡면 형태 외벽이나 돌출부, 움직이는 곳에도 태양전지를 설치할 수 있게 하는 기술이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 이필립 차세대태양전지연구센터장팀이 이와 같은 3차원 태양광 메타구조체를 개발했다고 15일 밝혔다.
연구팀은 올해 초 같은 구조 단위를 반복 조립해 약 900㎠ 크기 '기계적 메타물질' 기반 형태 변형 태양광 시스템을 만들고 이를 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈'에 발표한 바 있다. 당시 연구가 모양을 바꾸는 구조의 시스템화에 집중했다면, 이번 연구는 기능성 구조 설계에 집중했다. 한 번 잡아당겼다 놓기만 해도 원하는 모양으로 접히며 구조가 늘어나고, 접히는 동안에도 전기가 끊기지 않도록 전기 연결까지 함께 설계했다.
하지만 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 크게 늘어나거나 접혀도 안정적으로 전기가 흐르도록 했다. 태양전지 모듈을 복잡한 배선 없이 탈부착하는 방식도 구현했다.
그 결과 500% 변형률에서도 발전 성능이 거의 변하지 않았고, 1000회 반복 변형 후에도 성능을 유지했다. 태양전지를 촘촘히 배치한 별도 구조에서는 평면 설치면적 대비 최대 225%의 태양전지 면적을 확보했으며, 약 100% 늘어난 상태에서도 설치면적에 해당하는 태양전지 면적을 유지했다.
전극은 약 2년간 실내 보관한 뒤에도 성능 저하가 관찰되지 않았고, 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 다양한 건물 외벽 형태와 설치 조건에 대응하는 태양광 외장 시스템으로 발전시킬 계획이다. 현재 조립형 구조와 실제 태양전지 모듈을 결합하는 사업화 기술개발을 추진하고 있으며, 강풍·비바람에 견디는 내구·고정 기술과 화재안전성을 갖춘 소재 개발도 진행할 예정이다. 장기적으로는 이동체와 휴대형 발전 장치, 우주 전개형 태양광 시스템까지 적용 범위를 넓힐 계획이다.
황석준 박사는 “앞선 모듈형 구조 기술을 실제 태양전지 모듈과 결합해 건축용도의 상용화를 추진하고, 향후 이동체와 전개형 시스템까지 적용 범위를 넓혀갈 계획”이라고 밝혔다.
이필립 센터장은 “이번 연구는 구조의 움직임과 형태, 전기적 기능까지 함께 설계했다는 데 의미가 있다”고 말했다.
이번 연구성과는 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈' 최신호에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
