[에너지 다시 보기] 에너지 혁명 시대! ‘태양 에너지’로 에너지 갑부 되기

에너지 혁명 시대!
‘태양 에너지’로 에너지 갑부 되기

사진출처 : pixabay

인류는 18세기 이후 ‘혁명’이라 불릴 만큼 거대한 변화를 시작했습니다. 화석 연료를 에너지로 활용하면서 산업 혁명이 시작되었고, 각 분야의 산업과 기술이 눈부시게 발전했습니다. 지금 우리가 누리는 이 편리하고 안락한 세상은 당시로서는 혁명과도 같았던 화석 연료의 사용으로 가능했던 일이지요. 하지만 화석 연료가 가진 문제점은 치명적이었습니다. 화석 연료 사용으로 발생 질소 산화물이 인간의 호흡기 질환을 유발하고, 이산화탄소는 지구온난화를 가속화하고 있습니다.

 

더 큰 문제점은 이 화석 연료가 무한하지도 않다는 점입니다. 화석 연료는 수백 만년에 걸쳐 생성됩니다. 우리의 사용 속도를 따라올 수 없지요. 그래서 우리는 에너지 고갈과 여러 환경 오염 문제로 점점 압박을 받는 것이고요. 우리는 새로운 대체 자원을 찾는 동시에 기존 연료가 가졌던 문제들이나 소실의 한계를 극복할 수 있는 새로운 대체 에너지를 찾아내야만 합니다. 이를 해결할 방법은 없는 걸까요?

 

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다행히 그 모든 가능성을 지닌 에너지가 우리 가까이에 있습니다. 바로 신재생 에너지이지요. 신재생 에너지는 신에너지와 재생 에너지, 이 두 가지를 합친 것입니다. 우리가 일반적으로 생각하는 태양 에너지, 풍력 에너지, 수력 에너지, 그리고 해양 에너지는 재생 에너지입니다. 신에너지는 수소 에너지, 연료전지 등이 있다고 할 수 있지요. 이중 우리 곁의 친숙한 태양 에너지를 먼저 살펴볼까요?

 

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신재생 에너지 중 연구가 가장 활발하고 잠재력이 큰 분야가 태양 에너지입니다. 태양 에너지는 지구의 모든 생명체가 지니는 생명 에너지와 자연 현상의 시작이라고 할 수 있습니다. 바람, 구름, 비 등 기상 현상이 일어날 수 있게 에너지를 제공하고, 식물과 플랑크톤은 태양 에너지와 생성된 구름 비 등 통해 자라나게 됩니다. 자란 식물과 플랑크톤을 통해 초식 동물들의 생존이 가능해지고 육식 동물들의 생존 또한 가능해지게 됩니다. 궁극적인 모든 생명 에너지의 시작이라고 할 수 있을 것이지요.

 

그렇다면 태양을 에너지원 삼는 자연의 모습과 더불어 이 모든 생명의 시작 에너지라고 할 수 있는 태양 에너지를 어떻게 활용할 수 있을까요? 태양을 에너지원으로 하는 방법은 크게 두 가지로 볼 수 있습니다. 하나는 빛 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 변환시키는 태양광 발전, 다른 하나는 태양으로부터 오는 복사 광선을 흡수해 열에너지로 저장하여 필요한 곳에 사용하는 것입니다. 이중 태양광 발전이 훨씬 더 크게 활용되고 있으니 여기에서는 태양광 발전을 살펴보기로 하겠습니다.

 

태양광 발전은 태양전지가 빛을 받아 전기를 생성해내는 원리입니다. 빛으로 바로 전기를 생성하는 원리는 바로 광전 효과인데요, 광전 효과는 금속 등의 물질이 문턱 진동수보다 큰 진동수를 가진 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상을 말합니다. 이때 방출되는 전자를 ‘광전자’라고 하는데, 방출되는 전자는 광자가 아니라 광자에 의해 방출된 전자이기 때문에 광전자라고 합니다. 이 효과로 인해 태양전지 내부에서는 전자(-)와 정공(+)이 생성됩니다.

 

사진출처 : www.electrical4u.com/solar-cell

태양전지, 정확히는 P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 모양입니다. 생성된 전자는 N형 반도체로 끌려가고 정공은 P형 반도체로 흘려가면서 전류가 생성됩니다. 이것은 일반적으로 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러가는 물이라고 생각하면 더욱 쉽습니다. 정공과 전자의 몰림이 전위차를 만들어내고 물의 역할을 하는 전류가 높은 전위에서 낮은 전위로 흘러간다고 생각하면 되지요. 물론 전자는 그 반대 방향으로 흐르고 있답니다. 일반적으로 전자가 움직이는 방향의 반대 방향을 전류의 방향이라고 하는데요, 전자와 정공이 움직이면 전류가 생성됩니다. 이를 위해 p형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 극성에 따라 이 전자와 정공이 움직이게 됩니다. 태양 빛을 비춰주는 것만으로 전기 에너지를 생산할 수 있다는 사실은 참으로 놀랍지요?

 

태양광 발전의 역사는 꽤 오래돼 이제는 일반 가정에서도 태양전지를 활용하는 모습을 흔히 볼 수 있습니다. 가로등이나 여러 공공시설에도 태양전지를 쉽게 찾아볼 수 있지요. 하지만 화석 연료를 완벽하게 대체하기까지는 아직 시간이 더 필요하다는 의견이 많습니다. 여러 문제가 존재하지만, 가장 큰 문제는 낮은 효율성을 꼽을 수 있습니다. 화석 연료의 에너지가 45~50%의 효율을 보일 때 태양전지는 효율이 30%에 불과합니다.

 

낮은 생산 효율은 상당히 많은 땅을 사용하게 하고, 인구 밀도가 높고 산지가 많아 부지확보가 어려운 대한민국의 상황에서는 큰 단점입니다. 또한, 높은 온도에 지속적으로 노출되면 전지의 효율이 떨어집니다. 그리고 지구의 자전에 의한 밤과 낮의 현상으로 생산 시기가 불연속적이지요. 쓰고 버려지는 태양전지 폐패널들도 문제입니다. 주요 재료인 실리콘이 환경 오염을 일으키기 때문입니다. 아직은 갈 길이 멀고 넘어야 할 과제도 많은 만큼 지속적인 관심과 투자가 필요하겠지요?

 

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하지만 재생되는 에너지와 그 활용할 수 있는 에너지의 양은 무한대에 가까우며, 더불어 친환경적인 에너지인 만큼 수많은 공학자가 서로 머리를 맞대고 이러한 문제들을 해결하기 위해 노력하고 있고 그 노력의 결과물들은 상당히 놀라운 것들이 많이 있습니다.

 

그 하나가 태양전지 효율의 이론적 한계를 돌파해낸 연구입니다. 일반적으로 태양전지 효율의 한계는 이론적으로 30% 부근에 있습니다. 이 이론적 한계는 빛 알갱이 하나로는 전하 운반 입자를 한 쌍만 만들 수 있기 때문이지요. 전하 운반 입자를 ‘캐리어’라고 하는데, 빛 알갱이가 아무리 에너지를 크게 가지고 있더라도 여러 쌍의 캐리어를 만들 수 없다는 것입니다. 하지만 특정 조건이 만족된다면 캐리어가 한 쌍 이상이 생길 수도 있는 ‘캐리어 증폭’ 현상을 기대해볼 수 있다고 합니다. 캐리어가 한 쌍 이상 생성되면 태양전지 효율은 크게 증가할 수 있지요.

 

특정 물질에서 구현되는 캐리어 증폭 현상은 퀸텀닷(반도체 나노입자·양자점)이나 2차원 물질에서 구현이 됩니다. 기초과학연구원(IBS)은 네덜란드 암스테르담대학과 공동으로 2차원 물질의 합성에 성공하여 캐리어 증폭 현상을 실제 관측까지 했다고 하는데요. 관측 결과, 처음의 캐리어를 발생시키고 남은 여분의 에너지가 최대 99%의 효율로 추가 캐리어를 발생시키는 것으로 확인되었다고 합니다. 이는 이론적으로 태양전지의 효율을 46%까지 끌어올릴 수 있다고 하지요.

 

사진출처 : www.caltech.edu

태양발전에 필요한 부지 문제도 해결해나가고 있습니다. 캘리포니아 공대는 우주에 태양전지를 발사하여 이를 해결하였는데, 이는 부지뿐 아니라 날씨와 먼지로 인한 전지 효율이 떨어지는 문제까지 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 생성된 전기 에너지는 무선 전송을 통해 지구로 보내지지요. 종종 공상과학 영화에서 나오던 다이슨 구체를 떠올리게도 되지요? 좁은 국토에 산악지형이 많은 우리나라로서는 크게 기대되는 기술이 아닐 수 없습니다.

 

사용 후 버려지는 폐패널의 문제는 어떨까요? 한국에너지기술연구원 변환저장소재연구실 이진석 박사팀은 수명이 다한 태양광 폐패널을 재활용하여 고효율의 태양전지를 만드는 데 성공했습니다. 태양광 패널은 재활용이 가능한 유리, 알루미늄, 실리콘, 구리 등으로 만들어져있기에 적절한 회수 기술만 보장된다면 최대 80%까지 재활용이 가능하다고 하지요. 연구진은 자체 개발한 분리기를 활용하여 완전한 분리를 통해 재활용한다고 하는데요. 이진석 박사는 태양광 폐패널 1t을 재활용하여 이산화탄소 1,200㎏의 감축 효과를 낼 수 있다고 밝혔습니다.

 

지금까지 태양전지의 한계를 극복하기 위하여 개발된 기술들에 대해서 알아보았는데요, 이 기술 이외에도 물 위를 둥둥 떠다니는 태양전지나 생체모방기술을 활용한 나노테크를 이용해 빛 에너지 흡수율을 크게 올린 기술 등 더 많은 참신하고 기발한 기술들이 계속 한계들을 극복하기 위해 연구되고 있습니다. 하지만 중요한 것은 새로운 에너지를 사용하기 위해 개발하고 연구하는 자세보다는 지금 있는 에너지를 아껴 사용하고 자연과 함께 어울려 살아가는 것을 더욱 지향해야 한다는 것입니다. 인간이 새롭게 개발하고 연구하는 것은 언제나 100% 완벽하게 친환경적일 수는 없습니다. 자연만이 완전히 자연적일 수 있을 것이지요.

 

By 강형욱  | SF 영화의 무모한 도전이 섬광처럼 빛나 보이던 순간, 공학도를 꿈꾸었고 복잡한 물리 공식과 새로운 이론 너머로 그 섬광은 가능성(星)의 빛이라는 것을 깨달았다. 그 두근거리는 순간을 독자들과 함께 나누고자 한다.

 

※ 외부필자에 의해 작성된 기고문의 내용은 앰코인스토리의 편집방향과 다를 수도 있습니다.