한국전기연구원 이동윤 박사팀, 세계 최초 탄소나노튜브 이용 상용화 가능한 염료감응 태양전지 대면적 모듈 개발
탄소나노튜브 모듈
아직 전 세계적으로 출시된 제품이 전무한 탄소나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지(DSSC)를 이 박사팀이 독자적인 기술로 세계 최초로 개발하는데 성공함으로써, 실리콘 태양전지의 시장을 대체할 차세대 태양전지 분야에서 상용화를 서두르고 있는 일본을 비롯한 해외 기업들에 비해 열세였던 국내 기술 상황을 타개하는 동시에 국내외 태양전지 시장에서 새로운 시장을 개척할 수 있을 것으로 기대된다.
탄소나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지는 기존의 기술이 고가의 백금을 상대전극으로 사용하는 것에 비해 가격이 저렴하고, 화학적인 안정성이 뛰어나면서도 촉매특성이 우수한 탄소나노튜브를 사용한다. 따라서 태양전지의 특성은 유지하면서도 제작비용을 크게 낮춘 것이 특징이다. 이 박사팀은 2004년 세계 최초로 탄소나노튜브를 이용한 태양전지 단위셀(Cell) 개발에 성공한 데 이어, 3년 이상의 추가 개발을 통하여 이번에 상용화가 가능한 대면적 모듈 형태로 개발하는 데 성공했다. 특히 여기에 사용된 탄소나노튜브는 국내 기업인 (주)어플라이드카본나노와 공동으로 국산 신기술을 이용하여 개발한 것으로써, 관련 특허 및 기술을 국내에서 모두 보유하고 있어, 기술적 부가가치가 매우 클 뿐 아니라 향후 수출에서도 큰 성과가 기대되고 있다.
이번에 개발된 태양전지는 단위셀의 효율이 8.5%, 대면적 서브 모듈의 효율은 6%에 달하는, 상용이 가능한 대면적 시제품이다. 이는 일반적으로 효율 5% 이상이면 상용화가 가능한 염료감응형 태양전지의 수준을 넘어선 것으로서, 조기 상용화 실현이 가능할 것으로 예상된다. 염료감응형 태양전지는 1cm2 미만의 실험실에서 제작되는 작은 단위셀 형태로는 통상 8~11%의 고효율이 가능하나, 상용화를 위해 대면적으로 제작할 경우 5%의 효율을 넘지 못하고 있다.
염료감응형 태양전지는 2008년 10월 스위스의 그라첼 교수가 지닌 원천특허가 만료되는 시점에 맞추어서 일본을 중심으로 한 해외 기업들이 상용 시제품을 대거 발표할 것으로 예상되고 있다. 이동윤 박사는 “현재 일본의 기업들을 중심으로 국외에서 백금 등을 이용해 5% 이상의 효율을 지닌 대면적 상용 모듈 제품이 속속 개발되고 있어, 국내에서도 조기에 이 수준을 따라 잡지 못하면 향후 2012년 이후 10조 이상의 시장을 형성할 것으로 예상되는 차세대 태양전지 시장(실리콘 태양전지를 대체할 태양전지 전체 시장 추정치)에서 소외될 가능성이 커지고 있는 상황.”이라고 강조하고 “그런 의미에서 이번에 연구팀이 국내의 독자적인 기술을 바탕으로 세계 최초로 탄소나노튜브를 이용해 차별화된 고효율 상용 시제품을 개발한 것은 경제적, 사회적으로 큰 의미를 지니고 있다”고 설명했다..
이동윤 박사팀은 이러한 상황에 대비해 현재 국내 기업인 (주)티모테크놀로지, 미국의 일리노이 대학과 함께 국가 전략기술개발사업을 통해 2010년 출시를 목표로 상용 제품 개발을 추진 중에 있다. 티모테크놀로지의 경우, 이와 더불어 염료감응형 태양전지 분야에서 세계적인 선도기업인 호주의 다이솔사(Dyesol)와 합작회사를 설립하기로 계약을 완료하고 본격적인 제품 개발을 진행 중이며, 탄소나노튜브 태양전지는 이 회사의 주요 생산품 중의 하나가 될 것으로 예상되고 있다. 이 동윤 박사팀은 태양전지 모듈의 생산과는 별개로 핵심부품인 탄소나노튜브 전극을 (주)어플라이드카본나노에 기술이전을 완료해 2008년 이미 관련 제품을 전 세계에 시판 중이다.
한국전기연구원은 또한 신기술의 개발과 기술적 보완을 위해 국내외 기업, 대학들과 다양한 공동개발도 진행 중에 있다. 특히 안정성을 높이기 위한 전극 기술은 미국의 일리노이대학과 공동연구 중이며, 탄소나노튜브 전극의 원리규명을 통한 신기술의 개발을 위해서 인제대학교 및 플로리다 대학과 공동연구를 수행 중에 있다. 또한 개발된 태양전지를 이용한 전기회로 기술 및 응용품의 개발을 부산대학교와 공동으로 수년 동안 수행해 오고 있다.
한국전기연구원은 염료감응형 태양전지 개발과 관련하여 15건 이상의 국내외 특허를 출원 등록 중이고, 저널오브 어플라이드 피직스(Journal of Applied Physics)를 비롯한 국내외 저널에 50건 이상의 논문을 게재하거나 발표했다. 또한 한국과학기술대전을 비롯한 국내외 전시회에 매년 개선된 기술을 선보이고 있다. 또한 이번 기술은 2007년 10월 교육과학기술부(당시 과학기술부)에서 발간한 2006년 국내연구개발 우수성과 100선에 선정되기도 했다. 상용화 실적으로는 본 기술과 관련하여, 2005년과 2007년에 2건의 기술이전을 완료한 바 있다.
한편, 전세계 태양전지 시장은 2010년경 500억불에 달할 것으로 예상되고 있으며, 염료감응형 태양전지는 2010년 이후 시장을 형성하여 2010년 1000억원, 2015년 1조원 이상의 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다. 이 시장에 진입하기 위해서는 이미 제품의 개발 완성도가 높은 국외기업들과 경쟁할 수 있는 차별화된 신기술의 개발이 중요하다. 이동윤 박사팀의 이번 개발품은 이러한 요구에 부응하는, 세계시장을 공략할 전략적 차별성을 지닌 전지로서 세계시장 진입이 기대된다.
[용어설명]
1. 염료감응형 태양전지: DSSC(Dye-sensitized solar cell)
일반적으로 p형과 n형의 접합을 이용해 태양광을 전기로 변환하는 실리콘 태양전지로 대표되는 반도체 방식의 태양전지와는 달리, 식물의 광합성작용을 모사하여 염료와 전해질, 상대전극, 나노다공질 전극으로 구성된 화학적 원리를 이용하여 전기를 생산하는 태양전지를 일컫는다. 여기서 염료는 식물의 엽록소와 같이 태양빛을 받아들여 전기를 만들어내는 역할을 담당하고, 나노 다공질 전극은 만들어진 전기의 통로 역할을 수행한다. 반도체 방식의 태양전지와 달리 유기 물질과 유기물질을 복합적으로 사용하기 때문에 유기 태양전지로 분류한다. 이 전지는 높은 이론효율을 지니고 있고, 친환경적인 재료로 구성되어 있고, 다양한 색깔을 가지게 할 수 있고, 투명하게 제작하는 것이 가능한 기능적 장점을 지니고 있으면서도, 실리콘 태양전지의 1/5의 가격에 제작하는 것이 가능하여 차세대의 가장 유력한 태양전지로 기대되고 있다.
2. 탄소나노튜브: CNT(carbon nanotube)
탄소가 대나무와 같이 속이 빈 튜브 형태로 쌓아올려져서 구성된 구조를 지닌 물질. 보통 튜브들이 서로 연결되어 다발형태를 이루고 있으며, 지름이 1나노미터(10억분의 1m) 단위로 머리카락의 10만분의 1에 불과하다. 구리보다 전기를 1,000배나 잘 흘리고 강철보다 100배나 강해 다양한 전기전자 소재로 활용이 기대되는 꿈의 신소재다.
3. 차세대 태양전지 :
차세대태양전지는 Si박막 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기태양전지 등 현재 사용중인 실리콘 태양전지를 대체할 태양전지를 모두 통칭하여 일컫는 말이다. 이 중 현재 시장을 형성하고 있는 것은 아직 없다. 염료감응형 태양전지가 내년 상용화 되면 다른 차세대 태양전지에 비해 빨리 시장에 진입함으로써 업계의 주목을 받을 것으로 예상된다.
4. 서브모듈 :
염료감응형 태양전지에서 1 cm2 미만의 패턴이 없는 태양전지를 단위모듈, 그 이상의 대면적 전지를 서브모듈이라 부른다. 서브모듈의 크기는 5 cm x 5 cm 정도의 크기가 되어야 실용성이 있고, 10 cm x 10 cm의 크기가 적정한 크기로 보고 있으며, 필요에 따라 한 변이 50 cm 이상의 대면적을 만들기도 한다. 이 서브모듈을 모아서 하나의 큰 패널을 만든 것을 모듈로 부른다.
5. 효율(Efficiency) :
태양전지에서 효율은 태양전지에 입사된 태양에너지에 대해 생산된 전기에너지의 비를 이야기 한다. 그 측정기준이 되는 광원은 100 mW/cm2의 태양광 (1 sun, AM 1.5 global)으로써, 대부분의 경우 실험실에서 태양광 발생장치를 이용하여 유사태양광이 이용된다. 효율은 %로 표시하는 것이 보통이며, 실용적인 Si 태양전지의 효율은 12~13%이며, 염료감응형 태양전지는 최대효율 11%대로 알려져 있다. 그러나 태양전지의 실제 발전량은 태양광의 세기와도 연관이 있어, 효율로만 특성을 평가하지 않고 있다. 예를 들면 염료감응형 태양전지의 경우 효율은 낮아도 낮은 광량에서도 발전하는 능력이 우수하여 하루 동안의 총 발생량에서는 동일한 효율의 경우 Si 태양전지에 비해 30% 이상 발전량이 많은 것으로 알려져 있다.
한국전기연구원 개요
한국전기연구원(KERI)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2017년 기관평가에서 우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에 2개의 분원(안산, 의왕)이 있으며, 전체 직원수는 620여명에 달한다. KERI는 실현 가능하면서도 대규모 파급효과가 기대되는 연구과제를 집중 선정하여 국가사회에 기여하는 대형 성과창출을 위해 연구개발에 매진하고 있다. 주요 업무분야는 차세대전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기추진 및 산업응용 기술, 나노신소재 및 배터리, 전기기술 기반 융합형 의료기기, 중전기기 시험인증 등이 있다.
웹사이트: http://www.keri.re.kr
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