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도시환경에 최적화된 태양광 모듈이 있다?!고효율 유연 태양광 모듈!☀️

태양은 우리에게 매일 무한한 에너지를 선물하지만, 이를 효율적으로 활용하는 것은 여전히 큰 과제입니다. 최근 영·호남 지역을 중심으로 태양광 발전 설비가 급증하고 있으나, 생산된 전력을 수요가 많은 수도권으로 보낼 전력망이 부족해 도시 내에서 직접 전기를 생산하려는 시도가 늘고 있습니다. 하지만 복잡한 도시 환경은 좁은 공간과 건물에 의한 부분 음영 문제로 인해 기존 태양광 시설을 설치하기에 많은 제약이 따랐습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 한국전기연구원(KERI)은 도시 환경에 최적화된 완전히 새로운 형태의 태양광 모듈 기술을 선보였습니다. 한국전기연구원 차승일 박사 연구팀이 개발한 혁신적인 모듈은 지난 40년간 이어져 온 태양광의 소재와 구조를 근본적으로 바꾸었습니다. 기존의 크고 딱딱한 태양광 셀 대신 이를 잘게 쪼갠 '테셀레이션(모자이크형) 구조'를 채택한 것이 핵심입니다. 이러한 구조적 변화 덕분에 도시의 복잡한 지형과 구조물에도 유연하게 대응할 수 있게 되었습니다. 단순히 형태만 바꾼 것이 아니라, 도시 환경에서 빈번하게 발생하는 부분 음영 문제를 해결하여 에너지 생산 효율을 극대화했다는 점에서 기술적 가치가 매우 높게 평가받고 있습니다. 기술적 완성도를 높이기 위해 연구팀은 기존의 무겁고 깨지기 쉬운 강화 유리와 플라스틱 필름 대신, 실리콘으로 셀을 하나하나 밀봉하는 방식을 택했습니다. 여기에 유연 전극을 결합하여 종이접기가 가능할 정도의 높은 유연성을 확보했습니다. 또한 화재 안전을 위해 가연성 소재를 난연 소재로 대체하여 도심 속 안전 문제까지 세심하게 고려했습니다. 전기적으로는 직렬과 병렬을 혼합한 하이브리드 연결 방식을 적용하여, 일부가 가려지더라도 출력을 유지하고 과열 현상인 핫스팟(Hotspot)을 방지하는 탁월한 성능을 보여줍니다. 특히 주목할 만한 점은 별도의 기계 장치 없이도 해바라기처럼 태양을 스스로 추적하는 '셀프 트래킹 기술'입니다. 일체형으로 구현된 이 기술은 기존 평면 모듈보다 전력 생산량을 60% 이상 향상시키는 놀라운 성과를 거두었습니다. 이러한 기술력은 세계적으로 유일하며, 권위 있는 과학 저널인 '지속가능한 에너지와 연료(Sustainable Energy & Fuels)'의 표지 논문으로 선정되는 등 대외적으로도 우수성을 인정받았습니다. 이제 태양광 모듈은 단순한 발전 설비를 넘어 도심의 벤치, 차광막, 무인 수송기 등 우리 생활 곳곳에 녹아들 준비를 마쳤습니다. 신재생에너지는 경제성과 안전성이라는 두 마리 토끼를 모두 잡아야 하는 분야입니다. 한국전기연구원은 이번 연구를 통해 단순한 에너지 생산을 넘어 도시 환경에 적합한 안전하고 부가가치 높은 새로운 산업 생태계의 기반을 마련했습니다. 기후 위기 대응과 RE100 달성이 기업의 생존 전략이 된 지금, 생활 밀착형 태양광 기술은 미래 경제의 핵심 동력이 될 것입니다. 도심 속에서 전기를 자급자족하는 지속가능한 일상은 이제 먼 미래의 이야기가 아니며, 인류의 더 밝은 내일을 위한 기술 혁신은 앞으로도 계속될 것입니다.

한국전기연구원KERI 연구·시험성과

지구환경과학
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공학·기술

지역사회의 중심에서 🔋에너지 자급자족을 외치다📣 흩어져야 사는 분산에너지ㅣ요즘과학

우리나라의 전력 체계는 대규모 발전소에서 생산한 전기를 장거리 송전망을 통해 전달하는 중앙 집중형 전력 체계를 취해왔습니다. 하지만 최근 주목받는 분산 에너지 시스템은 에너지가 필요한 지역에서 직접 전력을 생산하고 소비하는 지역 단위의 에너지 체계를 의미합니다. 이는 전력 수요와 공급을 해당 지역 내에서 자체적으로 해결함으로써 전체 전력망의 안정성을 높이는 데 기여합니다. 중앙 집중형 전력 체계에서 발생할 수 있는 갑작스러운 전력 수급 불균형 문제를 완화하고, 지역 특성에 맞는 유연한 에너지 관리가 가능하다는 점이 분산 에너지 시스템의 핵심적인 특징이자 장점이라고 할 수 있습니다. 분산 에너지 시스템 도입이 가속화되는 주요 원인 중 하나는 폭발적인 전력 수요의 증가와 기후 위기 대응입니다. 특히 인공지능 기술의 발전으로 데이터 센터의 전력 소비량이 급증하면서 기존의 발전 방식만으로는 한계에 부딪히고 있습니다. 또한 전 세계적인 탄소 중립 흐름과 RE100 협약에 따라 재생 에너지 사용 비중을 높여야 하는 상황입니다. 재생 에너지는 소규모 발전 시설이 넓은 지역에 분산되어 설치되는 특성이 있어, 이를 효율적으로 활용하기 위해서는 기존의 중앙 집중형 전력 체계에서 벗어나 지역별로 독립적인 에너지 생산 및 소비 구조를 갖추는 분산 에너지 시스템으로의 전환이 필수적입니다. 재생 에너지는 기상 조건에 따라 발전량이 변하는 변동성 문제를 안고 있습니다. 이를 해결하기 위해 분산 에너지 시스템에서는 다양한 에너지 저장 기술을 활용합니다. 남는 전기를 수소로 변환해 저장하는 P2G, 전기차 배터리를 전력망에 연결하는 V2G, 그리고 남는 전력으로 물을 끓여 열에너지를 보관하는 P2H 등이 대표적입니다. 이러한 기술들은 전력이 과잉 생산될 때는 에너지를 저장하고, 부족할 때는 다시 공급함으로써 전력 수급의 균형을 맞추는 역할을 합니다. 이는 재생 에너지의 간헐성을 보완하여 안정적인 전력 공급을 가능하게 하며, 에너지 자원의 효율성을 극대화하는 중요한 기반이 됩니다. 정보통신기술(ICT)과 인공지능(AI)의 결합은 분산 에너지 시스템을 하나의 거대한 발전소처럼 운영할 수 있게 합니다. 이를 '통합 발전소(VPP)'라고 부르는데, 여기저기 흩어져 있는 소규모 재생 에너지 시설들을 실시간으로 모니터링하고 관리하는 통합 발전소(VPP)입니다. 인공지능은 기상 정보와 과거의 전력 소비 패턴을 분석하여 에너지 생산량과 수요를 정밀하게 예측합니다. 이를 통해 전력을 미리 저장하거나 적절히 분배함으로써 전력망의 효율성과 신뢰도를 획기적으로 높일 수 있습니다. 결과적으로 첨단 기술을 활용한 통합 발전소(VPP)는 분산 에너지 시스템이 가진 물리적 한계를 극복하고 안정적인 에너지 생태계를 구축하는 핵심 동력이 됩니다. 2024년 6월부터 시행되는 '분산 에너지 활성화 특별법'은 우리 사회의 에너지 구조뿐만 아니라 지역 균형 발전에도 큰 변화를 가져올 전망입니다. 이 법안은 전력 계통의 상황에 따라 지역별로 차등화된 전기 요금을 적용할 수 있는 근거를 마련하고 있습니다. 발전 시설이 밀집해 전력 자급률이 높은 지역은 요금 혜택을 받을 수 있는 반면, 외부 공급에 의존하는 지역은 상대적으로 높은 비용을 부담하게 될 수 있습니다. 이러한 변화는 전력 소비가 많은 첨단 산업 기업들이 지방으로 이전하는 유인책이 되어, 수도권 집중 현상을 완화하고 지역 경제를 활성화하는 등 사회 전반에 걸쳐 긍정적인 파급 효과를 미칠 것으로 기대됩니다.

국립과천과학관요즘과학👏

지구환경과학
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국립광주과학관 10월 과학스쿨 : 미래를 위한 에너지 전환

에너지 전환은 에너지가 형태를 바꾸는 현상과 인류가 사용하는 에너지 생산 방식의 변화라는 두 가지 중의적인 의미를 담고 있습니다. 태양 에너지가 식물의 광합성을 거쳐 화학 에너지로 저장되고, 이를 땔감으로 태워 열과 빛을 얻는 과정은 자연스러운 에너지의 형태 변화를 보여주는 대표적인 사례입니다. 동시에 우리는 인류 역사 전반에 걸쳐 나무에서 석탄과 석유, 그리고 이제는 신재생 에너지로 에너지 생산의 근본적인 방식을 바꾸어 나가는 거대한 전환의 시대를 살아가고 있습니다. 에너지를 논할 때 가장 핵심적인 지표는 효율입니다. 효율이란 투입된 에너지 대비 실제 유용하게 사용된 에너지의 비율을 뜻하는데, 자연 상태의 식물이 수행하는 광합성 효율은 약 3~6%에 불과합니다. 반면 현대 기술의 집약체인 리튬이온 배터리는 95% 이상의 높은 충전 효율을 보여줍니다. 내연기관 자동차의 종합 효율이 20% 미만인 것에 비해 전기자동차가 에너지 생성 단계부터 따져도 약 40%의 효율을 내는 점은 왜 우리가 기술 혁신을 통해 에너지 소비 구조를 개선해야 하는지 잘 설명해 줍니다. 인류는 가축의 노동력과 풍차, 물레방아 같은 자연력을 이용하던 시대를 지나 산업 혁명을 기점으로 화석 연료 시대에 본격적으로 접어들었습니다. 17세기에 등장한 증기 기관은 물을 끓여 발생하는 증기의 압력으로 피스톤을 움직이는 원리를 가졌으며, 이는 현대 발전 방식의 모태가 되었습니다. 오늘날의 화력 발전과 원자력 발전 역시 사용하는 원료는 다르지만, 결국 물을 데워 증기를 만들고 그 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 점에서 증기 기관의 기본 원리를 여전히 공유하고 있습니다. 대부분의 발전 방식이 터빈을 돌리는 기계적 과정을 거치지만, 태양광 발전은 빛을 받는 즉시 전기를 발생시키는 독특한 구조를 가집니다. 통계를 살펴보면 전 세계적으로 신재생 에너지의 비중은 급격히 늘어나는 추세이며, 특히 유럽은 태양광과 수력으로 전력의 상당 부분을 충당하고 있습니다. 우리나라도 최근 신재생 에너지 비중을 지속적으로 높여가고 있으며, 이는 단순한 에너지원 교체를 넘어 기후 위기에 대응하기 위한 분석적이고 필수적인 선택으로 자리 잡고 있습니다. 지구 온난화는 1970년대 이후 급격히 가속화되었으며, 이는 대기 중 이산화탄소 농도의 증가와 밀접한 관련이 있습니다. 이산화탄소는 온실 효과를 유발하여 지구의 온도를 높일 뿐만 아니라 바다에 녹아 해양을 산성화시키며 생태계 전체를 위협합니다. 산업 혁명 전 280ppm이었던 이산화탄소 농도가 현재 400ppm을 넘어선 상황에서, 탄소 배출의 상당 부분을 차지하는 에너지 산업 분야의 변화는 매우 시급합니다. 물 부족과 해수면 상승 같은 기후 재난은 이제 먼 미래가 아닌 현실의 위협입니다. 환경 보호는 이제 기업의 경제적 생존 문제와 직결되고 있습니다. RE100 캠페인은 기업이 사용하는 전력의 100%를 재생 에너지로 충당할 것을 요구하며, 이를 충족하지 못할 경우 글로벌 공급망에서 소외될 수 있는 강력한 규제로 작용합니다. 이에 대응하여 원자력과 수소 등 탄소를 배출하지 않는 모든 에너지원을 포함하는 CF100의 중요성도 함께 커지고 있습니다. 수출 의존도가 높은 국가일수록 이러한 국제적인 탄소 규제에 민감하게 반응하고 대비해야 하며, 이는 국가 경쟁력을 결정짓는 핵심 요소입니다. 에너지 문제에 있어 완벽한 정답은 없기에 각 에너지원의 장단점을 고려한 '에너지 믹스' 전략이 반드시 필요합니다. 원자력은 에너지 밀도가 높고 탄소 배출이 적지만 폐기물 처리와 안전성 숙제가 남으며, 신재생 에너지는 친환경적이지만 기상 상황에 따른 간헐성 문제가 존재합니다. 인공 태양이라 불리는 핵융합 발전이나 우주 태양광 발전 같은 혁신적인 상상이 미래에는 현실이 될 수 있습니다. 지속 가능한 지구를 위해 우리는 과학적 탐구를 멈추지 않고 환경에 최적화된 에너지 경로를 찾아야 합니다.

국립광주과학관강연&포럼

물리학
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[과린이를 부탁해] 어린이 과학동아 4월호, 지구를 구할 친환경 에너지

기후 위기는 이제 단순한 경고의 수준을 넘어 우리 눈앞에 닥친 현실이 되었습니다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체인 IPCC는 최근 보고서를 통해 기후변화로 인한 수자원 고갈, 생태계 파괴, 식량 안보 및 건강 위협이 지속적으로 심화되고 있다고 발표했습니다. 특히 지구 평균 기온이 1.5℃만 상승해도 전 세계 약 35억 명이 고통을 겪으며 심각한 생존 위기에 직면할 것으로 예상됩니다. 이는 인류의 미래와 직결된 문제로, 지금은 그 어느 때보다 시급하고 긴요한 대처가 필요한 시점입니다. 에너지 전환은 환경 보호의 측면을 넘어 국가 경제와도 밀접한 관련이 있습니다. 특히 수출 중심의 경제 구조를 가진 국가의 경우, 유럽 등 주요 선진국들이 도입하고 있는 친환경 무역 정책에 민감하게 반응해야 합니다. 최근 많은 국가가 재생 에너지를 사용한 제품만을 수입하거나 탄소 배출 비용을 부과하는 식의 무역 장벽을 세우고 있습니다. 따라서 재생 에너지로 만든 제품을 생산하지 못하면 국제 시장에서 경쟁력을 잃게 되며, 이는 곧 국가의 산업 경쟁력과 생존 문제로 직결되는 매우 중요한 사안입니다. 기후 위기가 초래할 재앙은 상상을 초월합니다. 지구 평균 기온이 5℃만 더 올라가도 생물종의 최대 60%가 멸종 위기에 처할 수 있으며, 전 지구적인 생태계 균형이 완전히 무너질 위험이 큽니다. 특히 산불의 위험성은 더욱 가시화되고 있습니다. 유엔환경계획(UNEP)에 따르면 기후 위기로 인해 전 세계 산불 발생 빈도는 2050년까지 30% 이상 증가하는 등 더욱 빈번해질 것으로 예측됩니다. 이는 단순한 자연재해를 넘어 인류의 안전을 위협하는 거대한 재난이 될 것이며, 우리는 이러한 변화를 막기 위해 즉각적인 행동에 나서야 합니다. '2050 탄소 중립'은 탄소 배출량을 최대한 줄이고 남은 탄소는 흡수하여 실질적인 순 배출량을 0으로 만드는 것을 의미합니다. 이를 위해 전 세계는 화석 연료 의존도를 낮추고 재생 에너지 비중을 높여야 합니다. 특히 우수한 기술력을 보유한 국가들은 화석 연료의 의존을 완전히 줄일 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. 경제력과 기술이 부족한 지역들이 온실가스 감축에 동참할 수 있도록 국제적인 재정 지원과 기술 공유가 병행되어야만 전 지구적인 탄소 중립 목표를 달성할 수 있을 것입니다. 재생 에너지는 태양광, 풍력, 바이오에너지, 수력 등 자연에서 얻을 수 있는 다양한 자원이 포함됩니다. 이러한 재생 에너지는 탄소 배출이 적고 고갈 위험이 거의 없다는 장점이 있지만, 초기 구축 비용이 많이 들고 효율성을 높여야 하는 과제가 남아 있습니다. 따라서 에너지 소비를 줄이는 고효율 기술 개발과 함께 화석 연료 사용을 줄이기 위한 국민적 이해와 사회적 합의가 필수적입니다. 우리 모두가 경각심을 가지고 관심을 기울일 때 비로소 지구를 구하는 진정한 에너지 전환이 가능해질 것입니다.

국립과천과학관어린이👧 과학뉴스

지구환경과학
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[강연] 미래신재생에너지 _ by김민수, 박남규 | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학' 2강 | 2강

지구온난화는 더 이상 먼 미래의 이야기가 아닙니다. 전 세계적으로 배출되는 막대한 양의 이산화탄소는 지구의 온도를 높이고 기상이변을 일으키며 인류의 생존을 위협하고 있습니다. 기존의 화석연료 기반 에너지 시스템은 터빈을 돌리기 위해 탄소를 태워야만 했고, 이는 필연적으로 온실가스 배출로 이어졌습니다. 이러한 환경 위기를 극복하기 위해 인류는 탄소 배출이 없는 새로운 에너지원을 찾기 시작했습니다. 신재생에너지는 단순한 대안을 넘어 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 선택이 되었으며, 그 중심에는 수소와 태양광이라는 혁신적인 기술이 자리 잡고 있습니다. 수소는 우주에서 가장 흔한 원소이자 청정한 에너지 매개체로 주목받고 있습니다. 수소를 이용해 전기를 만드는 연료전지 기술은 연소 과정 없이 화학 반응을 통해 직접 전기를 생산합니다. 수소 분자가 촉매를 만나 전자와 수소 이온으로 분리되고, 이 전자가 도선을 흐르며 전기에너지를 발생시키는 원리입니다. 이 과정에서 발생하는 부산물은 오직 깨끗한 물뿐이기에 환경오염 걱정이 없습니다. 또한 연료전지는 전기뿐만 아니라 열도 함께 발생시키므로, 가정이나 산업 현장에서 난방과 전력을 동시에 해결할 수 있는 효율적인 에너지원으로 활용될 수 있습니다. 수소 에너지의 활용 범위는 이동 수단을 넘어 산업 전반으로 확장되고 있습니다. 수소전기차는 긴 주행 거리와 빠른 충전 시간이라는 장점을 앞세워 대형 트럭이나 버스 같은 상용차 분야에서 두각을 나타내고 있습니다. 또한 드론, 잠수함, 가정용 발전기 등 다양한 분야에 적용되어 에너지 패러다임을 바꾸고 있습니다. 관건은 수소를 얼마나 저렴하고 깨끗하게 생산하느냐에 있습니다. 현재는 천연가스 개질 방식이 주를 이루지만, 태양광이나 풍력 같은 재생에너지로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 기술이 발전함에 따라 진정한 의미의 탄소 제로 에너지 사회가 가까워지고 있습니다. 태양광 에너지는 무한한 자원인 햇빛을 직접 전기로 바꾸는 가장 확실한 신재생에너지원 중 하나입니다. 최근 글로벌 기업들 사이에서는 기업 활동에 필요한 전력의 100%를 재생에너지로 충당하겠다는 'RE100' 캠페인이 확산되고 있습니다. 이는 단순한 환경 보호 차원을 넘어 국가와 기업의 경쟁력을 결정짓는 중요한 요소가 되었습니다. 하지만 기존 실리콘 태양전지는 제조 공정이 복잡하고 비용이 높다는 한계가 있었습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 더 가볍고 저렴하면서도 효율이 높은 차세대 태양전지 소재를 연구해 왔으며, 그 결과 페로브스카이트라는 혁신적인 물질을 발견했습니다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 기간에도 불구하고 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 효율을 달성하며 전 세계의 주목을 받고 있습니다. 이 물질은 빛을 흡수하는 능력이 매우 뛰어나 아주 얇은 막으로도 충분한 전기를 생산할 수 있습니다. 또한 고온의 공정 없이 용액을 바르는 간단한 방식으로 제조가 가능해 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있다는 장점이 있습니다. 유기물과 무기물이 결합한 독특한 결정 구조 덕분에 유연하게 휘어지는 성질을 가질 수 있어, 건물 외벽이나 휴대용 기기 등 기존 태양전지가 설치되기 어려웠던 다양한 장소에 적용될 수 있는 무궁무진한 가능성을 품고 있습니다. 물론 새로운 기술이 상용화되기 위해서는 넘어야 할 기술적 장벽들이 존재합니다. 페로브스카이트 태양전지의 경우 수분이나 열에 취약한 안정성 문제를 해결하는 것이 가장 큰 숙제입니다. 과학자들은 소재의 조성을 변경하거나 보호막 기술을 도입하여 내구성을 높이는 연구를 지속하고 있습니다. 또한 대면적에서도 고효율을 유지할 수 있는 공정 기술을 개발하는 데 박차를 가하고 있습니다. 이러한 노력은 기존 실리콘 태양전지에 페로브스카이트를 쌓아 효율을 극대화하는 탠덤 태양전지 기술로도 이어지고 있으며, 이는 태양광 발전의 경제성을 한 단계 더 끌어올리는 계기가 될 것입니다. 대한민국은 수소전기차 양산과 페로브스카이트 효율 경신 분야에서 세계 최고의 기술력을 보유하고 있습니다. 수소와 태양광이라는 두 축이 결합한 미래는 우리가 꿈꾸는 청정 에너지 사회의 모습입니다. 태양광으로 만든 전기로 물을 분해해 수소를 생산하고, 그 수소를 다시 연료전지에 넣어 필요한 때에 전기와 열을 얻는 에너지 순환 시스템은 지구온난화를 멈출 강력한 열쇠가 될 것입니다. 기술의 진보는 단순히 편리함을 넘어 인류와 지구가 공존할 수 있는 길을 제시합니다. 지속적인 연구와 사회적 관심이 뒷받침된다면, 깨끗한 에너지가 일상이 되는 수소 경제 시대는 머지않아 현실로 다가올 것입니다.

김민수, 박남규

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