기존 태양광은 잊어라... '종이접기'처럼 변신 차세대 태양광 개발 [세상을 깨우는 발견]

KIST, 은 나노선·액체 금속 결합해 500% 변형에도 성능 유지... 건물 곡면부터 이동체까지 적용 범위 확대

[유창재 기자]

▲ 코더블 구조를 활용한 고집적도, 고신축성 에너지 발전 시스템 4가지 타입을 가질 수 있는 구조를 설계, 개발하여. 응용 발전했으며, 전도성 다상 나노복합체를 도입하여 접촉만으로도 구동이 용이한 에너지 시스템을 개발하였다. 이는 그 응용 방식에 따라 신축도를 극대화하거나 집적도를 극대화하여 요구 사양에 맞는 시스템 제작에 용이하다. ⓒ KIST 제공

건물 외벽의 곡면이나 돌출부 등 기존 평판형 태양전지를 설치하기 어려운 공간에서도 형태를 자유롭게 바꾸며 전기를 생산할 수 있는 3차원 태양광 시스템이 개발됐다. 구조가 500%까지 늘어나도 발전 성능을 유지할 수 있다. 또 좁은 설치 공간에서 태양전지 면적을 최대 225% 확보할 수 있어 건축물과 이동체 등으로 태양광 활용 범위를 넓힐 것으로 기대된다.

15일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면 차세대태양전지연구센터의 이필립 센터장 연구팀이 구조의 움직임과 전기 연결을 함께 설계해 형태를 자유롭게 바꾸면서도 안정적으로 전기를 생산하는 3차원 태양광 메타구조체를 개발했다.

이번 기술은 종이를 자르고 접는 키리가미(Kirigami)와 오리가미(Origami) 원리를 활용했다. 구조물을 잡아당겼다 놓으면 원하는 형태로 접히고 늘어나도록 설계하면서, 변형 과정에서도 전기가 끊기지 않도록 전기 연결 구조를 함께 구현한 것이 핵심이다.

▲ 은나노선과 액체금속을 활용하여 개발한 전극의 특성 뿌리 구조를 가진 은나노와이어를 농도에 따라 표면 개질용도 또는 전도성 증진 목적으로 활용할 수 있으며, 나아가, 액체금속을 적용하는 방식에 있어 캡슐화 분사 또는 일반 도포 방식에 따라서 다양한 기능성을 부여할 수 있다. ⓒ KIST 제공

기존 태양광 시스템은 대부분 평판 형태여서 곡면이나 불규칙한 공간에 적용하기 어려웠다. 유연한 구조를 적용하더라도 크게 늘릴수록 태양전지의 배치 면적이 줄거나 전기 연결이 끊어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 가느다란 은 나노선을 구조체 표면에 고정하고, 액체처럼 유연한 인듐·갈륨 금속을 결합한 전극을 개발했다. 은 나노선이 전기가 흐르는 경로를 유지하고 액체 금속이 연결망의 빈틈을 메우는 방식이다. 이를 통해 구조물이 크게 늘어나거나 접혀도 안정적으로 전기를 전달할 수 있도록 했다. 복잡한 배선 없이 태양전지 모듈을 탈·부착하는 방식도 구현했다.

실험 결과, 구조체는 500%의 변형률에서도 발전 성능이 거의 변하지 않았다. 1000회 반복 변형한 뒤에도 성능을 유지했다. 태양전지를 촘촘하게 배치한 별도 구조에서는 평면 설치 면적보다 최대 225% 넓은 태양전지 면적을 확보했다. 구조물이 약 100% 늘어난 상태에서도 설치 면적에 해당하는 태양전지 면적을 유지했다.

전극은 실내에서 약 2년간 보관한 뒤에도 성능 저하가 관찰되지 않았으며, 1만 회 반복 접힘 시험에서도 안정적으로 작동했다. 태양전지 모듈을 교체한 뒤 전기 연결을 다시 구성할 수 있어 부품별 교체와 유지보수도 가능할 것으로 연구팀은 보고 있다.

▲ 모듈러 방식을 도입하여, 대면적화 및 다양한 표면 대응이 가능한 기계적 메타물질 시스템 조립식 확장 방식을 도입하고 그 연결 방식을 응용연구하여 다양한 형상, 크기를 자유롭게 설정할 수 있다. 이러한 구조에 선택적 활성화 전극을 도입하여, 900cm2의 기계적메타물질 기반의 대면적 에너지 발전 시스템을 제작하였다. 나아가, 다양한 곡면에 맞는 결합 패턴을 만들어 표면 밀착성을 높일 수 있다. ⓒ KIST 제공

KIST는 이번 기술을 건물 외벽에 적용할 수 있는 태양광 외장 시스템으로 발전시키고, 실제 태양전지 모듈과 조립형 구조를 결합하는 사업화 기술개발을 추진할 계획이다. 강풍과 비바람에 견디는 내구·고정 기술과 화재안전성을 갖춘 소재 개발도 진행한다. 장기적으로는 이동체와 휴대형 발전 장치, 우주 전개형 태양광 시스템으로 적용 범위를 확대할 방침이다.

황석준 박사는 "앞선 모듈형 구조 기술을 실제 태양전지 모듈과 결합해 건축 용도의 상용화를 추진하고, 향후 이동체와 전개형 시스템까지 적용 범위를 넓혀갈 계획"이라고 밝혔다.

이필립 센터장도 "이번 연구는 구조의 움직임과 형태, 전기적 기능까지 함께 설계했다는 데 의미가 있다"고 강조했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며, 연구성과는 국제학술지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)> 최신호에 게재됐다.

▲ 사진 왼쪽부터 KIST 차세대태양전지연구센터의 이필립 센터장과 황석준 박사후연구원(제1저자). ⓒ KIST 제공