태양광으로 만나는 미래형 전지
금요일에 과학터치
“여러분 화석 연료가 뭐죠?”
“식물이랑 동물이 썩어서 만들어진 연료요!”
가을밤이 깊어가는 지난 11월 둘째 주 금요일, 대전 교육과학연구원에는 한층 추워진 날씨에도 불구하고 과학지식을 얻기 위해 하나 둘 모여든 학생들로 가득했다. 이날 ‘금요일에 과학터치’ 본강연에는 한양대 이정호 화학공학과 교수가 ‘미래형 실리콘 나노구조 태양전지’를 주제로 미래 에너지에 대해 강의를 진행했다.
우리나라 기후가 아열대성으로 변하고 있다고?
“식물이랑 동물이 썩어서 만들어진 연료요!”
가을밤이 깊어가는 지난 11월 둘째 주 금요일, 대전 교육과학연구원에는 한층 추워진 날씨에도 불구하고 과학지식을 얻기 위해 하나 둘 모여든 학생들로 가득했다. 이날 ‘금요일에 과학터치’ 본강연에는 한양대 이정호 화학공학과 교수가 ‘미래형 실리콘 나노구조 태양전지’를 주제로 미래 에너지에 대해 강의를 진행했다.
우리나라 기후가 아열대성으로 변하고 있다고?
 |
| ▲ 금요일에 과학터치 강연에 학생들이 참여했다. ⓒ황정은 |
기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC‧Intergovernmental Panel on Climate Change) 2007년 보고서에 따르면 앞으로 우리가 이산화탄소 배출량을 줄이지 않을 경우 2100년까지 최대 6.4℃의 기온 상승이 있을 것으로 전망된다.
이는 이산화탄소 배출량 감소가 시급하다는 의미로 이를 방증하듯 현재 지구촌은 전역에 걸쳐 기후변화가 급격하게 발생하고 있다. 특히 이러한 지구 기후변화를 가져오는 이유로는 화석연료의 사용이 주 요인이 되고 있다.
이정호 교수는 “화석연료로 인해 기후변화가 발생하는 것도 큰 문제이며 또 다른 문제는 자원이 점차 고갈되고 있다는 점이다. 석유와 석탄 같은 화석연료는 사용하는 만큼 고갈되는 소비재 연료로서, 에너지 의존도가 높은 인류의 화석연료 사용량이 증가하면서 고갈되는 속도도 빨라지고 있다. 때문에 앞으로 인류는 이러한 화석연료를 대체할 미래형 에너지를 개발하는 것이 시급하다”고 전했다.
이 교수에 따르면 현재 에너지 사용으로 인한 전 지구 이산화탄소 배출량은 2005년 기준, 약 27기가톤(gigatonnes)으로 2030년경에는 약 56% 상승한 42기가톤이 될 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 화석연료를 대체할 수 있는 신 재생에너지 개발에 전 지구적인 노력이 계속되고 있으며 우리나라도 기후변화 대처의 일환으로 이산화탄소를 배출하지 않는 청정에너지를 개발하는데 주력하고 있다.
인류는 화석연료를 대체할 에너지로 원자력 에너지를 사용했지만, 이는 한 번 사고가 발생할 경우 인류가 통제할 수 없는 위험한 상황이 발생한다는 게 가장 큰 문제점으로 지적받는다. 특히 일시적인 기간만 고통을 받는 것이 아닌, 대대손손 장구한 시절 동안 피해를 감수해야 하므로, 그 위험성으로 인해 독일에서는 지난 해 일본 후쿠시마 사태 이후 원자력 발전 폐기를 선언하기도 했다.
“다양한 신재생에너지가 있지만 선진국과 더불어 많은 나라로부터 각광을 받는 것은 태양전지다. 태양에너지 산업은 매년 40%씩 증가하고 있는 상황으로 2002년에는 550MW를 생산할 수 있는 태양전지가 세계적으로 거래되기도 했다. 2007년에는 2002년에 비해 7배가 증가했으며 2008년까지 9GW에 해당하는 태양전지가 전 세계적으로 설치됐다.”
주목받는 태양광 발전
 |
| ▲ 금요일에 과학터치에서 한양대학교 이정호 교수가 강의를 진행하고 있다. ⓒ황정은 |
태양광 발전의 장점은 이산화탄소를 저감한다는 것과 기후변화를 완화할 수 있다는 점에 있다. 오염물질을 방출하지 않고 연료를 사용할 필요가 없어 외국으로부터의 석유의존도 역시 줄일 수가 있다.
“태양전지는 온실효과를 일으키는 이산화탄소 배출이 없을 뿐 아니라 고갈될 염려가 없는, 지속적으로 재생이 가능한 에너지라는 게 가장 큰 장점이다. 또한 태양이 꺼지지 않는 한 전 지구상에 언제나 편재하며 무엇보다 연료가격이 무료인 만큼 경제적인 효과도 얻을 수 있다.”
하지만 태양전지에도 장점만 있는 것은 아니다. 태양광은 그야말로 날씨가 맑은 날 최대량을 얻을 수 있으며 구름이 끼거나 흐린 날에는 전기를 많이 생산할 수 없게 돼 안정적인 수급에 차질이 빚어질 수 있다. 또한 화석연료가 발생하는 것과 같은 양의 전기를 생산하기 위해서는 현재의 태양전지 기술로는 그 비용이 2~3배 이상 더 필요하다.
이정호 교수는 태양전지를 가장 효율적으로 사용하는 방법은 태양광 집열판을 우주공간에 설치하는 것이라고 언급했다. 그도 그럴 것이 실제로 지표면에 흡수되는 태양광은 실제로 태양이 내뿜는 전체 양의 약 50%에 그치기 때문이다. 태양광은 대기권 밖에서 약 30%가 튕겨나가며 대기권에 와서도 20% 정도가 공기 중에 산란돼 흡수된다. 50% 라는 수치도 매우 맑은 날을 가정했을 때의 확률이다.
“특히 나라에 따라 태양광이 떨어지는 양도 매우 차이가 난다. 호주의 빅토리아 주에 떨어지는 태양광을 100%의 효율로 사용할 경우 전 지구가 1년 동안 사용할 수 있는 에너지를 얻을 수 있지만, 독일 등 유럽의 경우 구름 낀 날씨가 잦아 태양광을 얻기는 상대적으로 힘들다.”
그럼에도 불구하고 태양전지는 미래의 주요한 에너지로 각광을 받고 있다. 그렇다면 태양전지는 어떤 원리로 발생할까. 먼저 태양전지는 태양광을 흡수함으로써 에너지를 발생할 수 있다. 광 흡수는 전기를 생산하기 위해 외부의 빛이 실리콘 내부로 흡수되는 과정으로, 흡수되는 빛의 양을 증가시키기 위해 실리콘 표면에 반사방지막을 증착하거나 표면을 거칠게 해 반사율을 감소시키기도 한다.
그렇게 흡수된 빛에 의해 실리콘 내부에는 전하가 생성된다. 일반적으로 하나의 광자로부터 전자와 정공의 한 쌍이 생성되게 되는데, 3단계에는 이 전하를 분리하고, 4단계에는 상부전극과 하부전극으로 이동한 전자와 정공이 각각의 전극으로 수집되는 ‘전하 수집’을 해야 한다. 하부전극이 양극이 되고 상부전극이 음극이 되어 외부의 부하에 전기를 공급하게 되는 것이다.
이정호 교수는 “앞으로 태양전지 분야는 계속 발전하게 될 것이다. 이 분야에 대한 연구성과는 오늘 이 자리에 참석한 학생들이 더욱 일궈야 할 것이다. 앞으로 미래 과학발전의 주역이 돼 주길 바란다”고 전했다.
이날 강의를 들은 안우혁(외삼중, 1년) 학생은 “무료로 듣기에는 매우 수준 높은 강의여서 항상 ‘금요일에 과학터치’를 통해 많은 공부를 하고 있다”며 “특히 과학은 매우 좋아하는 과목인데 오늘 들은 태양전지 역시 쉽게 설명해 주셔서 이해하기가 쉬웠다”고 전했다.
한편 ‘금요일에 과학터치’는 매우 금요일 저녁 전국 5개 도시에서 전 학생을 대상으로 무료로 진행된다.
“태양전지는 온실효과를 일으키는 이산화탄소 배출이 없을 뿐 아니라 고갈될 염려가 없는, 지속적으로 재생이 가능한 에너지라는 게 가장 큰 장점이다. 또한 태양이 꺼지지 않는 한 전 지구상에 언제나 편재하며 무엇보다 연료가격이 무료인 만큼 경제적인 효과도 얻을 수 있다.”
하지만 태양전지에도 장점만 있는 것은 아니다. 태양광은 그야말로 날씨가 맑은 날 최대량을 얻을 수 있으며 구름이 끼거나 흐린 날에는 전기를 많이 생산할 수 없게 돼 안정적인 수급에 차질이 빚어질 수 있다. 또한 화석연료가 발생하는 것과 같은 양의 전기를 생산하기 위해서는 현재의 태양전지 기술로는 그 비용이 2~3배 이상 더 필요하다.
이정호 교수는 태양전지를 가장 효율적으로 사용하는 방법은 태양광 집열판을 우주공간에 설치하는 것이라고 언급했다. 그도 그럴 것이 실제로 지표면에 흡수되는 태양광은 실제로 태양이 내뿜는 전체 양의 약 50%에 그치기 때문이다. 태양광은 대기권 밖에서 약 30%가 튕겨나가며 대기권에 와서도 20% 정도가 공기 중에 산란돼 흡수된다. 50% 라는 수치도 매우 맑은 날을 가정했을 때의 확률이다.
“특히 나라에 따라 태양광이 떨어지는 양도 매우 차이가 난다. 호주의 빅토리아 주에 떨어지는 태양광을 100%의 효율로 사용할 경우 전 지구가 1년 동안 사용할 수 있는 에너지를 얻을 수 있지만, 독일 등 유럽의 경우 구름 낀 날씨가 잦아 태양광을 얻기는 상대적으로 힘들다.”
그럼에도 불구하고 태양전지는 미래의 주요한 에너지로 각광을 받고 있다. 그렇다면 태양전지는 어떤 원리로 발생할까. 먼저 태양전지는 태양광을 흡수함으로써 에너지를 발생할 수 있다. 광 흡수는 전기를 생산하기 위해 외부의 빛이 실리콘 내부로 흡수되는 과정으로, 흡수되는 빛의 양을 증가시키기 위해 실리콘 표면에 반사방지막을 증착하거나 표면을 거칠게 해 반사율을 감소시키기도 한다.
그렇게 흡수된 빛에 의해 실리콘 내부에는 전하가 생성된다. 일반적으로 하나의 광자로부터 전자와 정공의 한 쌍이 생성되게 되는데, 3단계에는 이 전하를 분리하고, 4단계에는 상부전극과 하부전극으로 이동한 전자와 정공이 각각의 전극으로 수집되는 ‘전하 수집’을 해야 한다. 하부전극이 양극이 되고 상부전극이 음극이 되어 외부의 부하에 전기를 공급하게 되는 것이다.
이정호 교수는 “앞으로 태양전지 분야는 계속 발전하게 될 것이다. 이 분야에 대한 연구성과는 오늘 이 자리에 참석한 학생들이 더욱 일궈야 할 것이다. 앞으로 미래 과학발전의 주역이 돼 주길 바란다”고 전했다.
이날 강의를 들은 안우혁(외삼중, 1년) 학생은 “무료로 듣기에는 매우 수준 높은 강의여서 항상 ‘금요일에 과학터치’를 통해 많은 공부를 하고 있다”며 “특히 과학은 매우 좋아하는 과목인데 오늘 들은 태양전지 역시 쉽게 설명해 주셔서 이해하기가 쉬웠다”고 전했다.
한편 ‘금요일에 과학터치’는 매우 금요일 저녁 전국 5개 도시에서 전 학생을 대상으로 무료로 진행된다.
 저작권자 2012.11.12 ⓒ ScienceTimes |
댓글 없음:
댓글 쓰기