한 시간 조금 넘는 시간 동안 내리쬐는 태양으로부터 에너지는 지구상 모든 인간이 1년간 사용하는 에너지보다 많다. 지구가 받는 태양에너지 중에서 지구 전체 표면의 0.1%만 100% 전기로 변환하여도 인류에게 필요한 모든 에너지를 공급할 수 있다고 한다.

▲ 태양전지 연구를 하고 있는 이정호 한양대학교 재료화학공학부 교수는 나노기술을 활용, 현재의 태양전지보다 경제성과 효율성이 뛰어난 차세대 태양전지를 개발해 주목을 받고 있다.

전 세계 인구의 5% 정도에 불과한 인구를 가진 미국은 전 세계 에너지 소비의 26%나 차지하고 있다고 한다. 무궁무진한 태양에너지를 이용할 수 있게 하는 태양전지 개발에 세계 각국이 많은 관심을 기울이는 것은 고유가와 환경오염이라는 문제로부터 자유로울 수 없는 현 시점에서 너무나 당연한 일이다.

차세대 태양전지 개발 원천기술 확보
현재 태양전지 시장의 주류를 형성하고 있는 것은 다결정 및 단결정 실리콘을 기반으로 한 1세대 벌크형 태양전지. 하지만 세계의 많은 기업은 전망이 좋을 것으로 판단하고 실제로 꽤 많은 양을 생산하는 2세대 박막형 태양전지들은 ‘무정형 실리콘(a-Si)’‘카드뮴·텔루늄(CdTe)’‘구리·인듐·갈륨·셀레늄(CIGS)’과 ‘III-V족’ 화합물 반도체 등을 재료로 쓴다. 일부가 상용화되기는 했지만, 아직도 갈길이 멀다는 점에서, 그만큼 기회가 많고, 잠재적으로 2세대 태양전지보다도 뛰어난 성능과 가격 경쟁력을 갖출 것으로 전망되는 3세대 태양전지 관련 기술을 선점하기 위해 여러 연구기관·기업이 총성 없는 전쟁을 벌이고 있다. 지난 2005년부터 태양전지 연구를 하고 있는 이정호 한양대학교 재료화학공학부 교수는 나노기술을 활용, 현재의 태양전지보다 경제성과 효율성이 뛰어난 차세대 태양전지를 개발해 주목을 받고 있다. 이정호 교수는 신재생에너지분야 중 태양전지에 대한신기술을 개발해낸 인물로 최근 교육과학기술부가 추진 중인 ‘미래유망융합기술 파이오니어사업’에 ‘미래형 태양광 열전통합나노소자’라는 주제로 최종 선정되었고, 거의 동시에 지식경제부로부터 ‘차세대 박막태양전지 원천기술연구센터’에 최종 선정되었다. 이 교수팀은 6년간 매년 15억원 내외의 예산을 지원받아 글로벌 시장 선점이 가능한 국제원천특허 확보를 위해 노력해왔다. 현재 태양광 발전에 필요한 태양전지는 2세대 태양전지로 실리콘 기판형과 박막형이 상용화 되어 있는 것. 그러나 이 두 가지 모두 단가 대비 효율에 있어서는 만족스럽지 못한 실정이었다. 박막형은 최대 효율이 10% 정도로 낮으며 기판형은 15~20% 의 효율을 올릴 수 있어 기판형보다 효율이 높지만 실리콘 기판의 가격이 비싸 생산단가의 절반을 차지할 정도로 경제성에 큰 문제를 안고 있다. 이에 많은 업체들은 생산가격대비 효율성이 더 좋은 박막형을 선호하고 있는 것. 이정호 교수팀이 개발한 태양전지는 나노기술을 이용한 실리콘 와이어 기반의 태양전지로 박막형의 효율성 한계를 극복할 수 있는 가능성을 제시했다. 이정호 교수는 “연구실 내에서 실험한 결과 와이어 기반의 태양전지의 생산가격 대비 효율성은 기존의 비정질 실리콘 박막형 보다 3배 이상 높다”고 설명했다. 기판형과 박막형의 경우 99.999999%의 고순도 실리콘을 사용하지만 와이어형은 99.99~99.9% 저순도 실리콘으로 제작이 가능하기 때문. 이 교수는 “소수점 아래 ‘9’가 하나씩 빠질 때마다 가격이 현저하게 떨어지는데 와이어형을 선택할 경우 가격을 현재 가장 좋은 성능을 보여주는 미국 first solar의 생산 단가인 peak watt당 1달러 정도를 0.5달러까지 낮출 수 있을것”이라면서 “세계시장을 파고들 충분한 경쟁력을 갖추고 있다”고 덧붙였다.

▲ 이정호 교수는 지금까지 태양전지의 원천기술 특허권을 4편 정도 등록했으며 3편을 추가로 출원 준비 중이며, 이들 기술에 대해 해외 특허 등록도 준비 중이다

세계 태양전지 산업에 새로운 패러다임 제시
기존에 개발된 태양전지의 원천기술은 모두 외국에서 갖고 있기 때문에 이를 통한 수익을 기대하기 어렵다. 하지만 이정호 교수팀이 연구 개발하고 있는 기술은 우리나라의 원천기술일 뿐만 아니라 경제성과 효율 측면에서 기존 태양전기 기술에 비해 뛰어나다. 이 교수는 “태양전지 관련 산업은 현재 국내뿐만 아니라 해외에서도 많은 관심을 갖는 산업이며, 이교수가 중점 연구하는 와이어 기반의 차세대 3차원 나노구조 태양전지는 미국의 여러 벤쳐기업에서도 각자 독자적인 방향으로 연구를 수행하고 있어, 향후 상당한 경쟁과 시장 진입 수요가 예상된다”면서 “이는 국내 태양전지산업 뿐만이 아닌 해외의 태양전지 산업에도 새로운 패러다임을 제시할 수 있는 계기가 될 것으로 본다”고 강조했다. 이 교수는 지금까지 태양전지의 원천기술 특허권을 4편 정도 등록했으며 3편을 추가로 출원 준비 중이며, 이들 기술에 대해 해외 특허 등록도 준비 중이다. 또한 이 교수는 한양대가 차세대에너지를 특성화하는 방안으로 현재 지식경제부에서 지원하는 산학협력중심대학육성사업단의 GTP 과제(Green Technology Project)의 지원을 중점적으로 받고있으며, 대전의 나노종합팹센터로 부터는 ‘World Best 전략과제’로 지정되어, 팹 공정/분석 사용료에 대한 부담 없이, 팹사용이 필요한 전분야에 대해 무상으로 지원 받고 있다고 했다.  현재 이 교수는 에너지기술연구원, 나노종합팹센터, 대구경북과학기술원, 기계연구원, 서울대, 연세대, 성균관대, 이화여대, 경북대, 대구가톨릭대 등과 함께 실리콘 와이어 기반 태양전지에 대한 상업성 확인 작업도 함께 진행하고 있다. 이 교수는 “기존 업체들이 실리콘 박막과 기판에서 나노기술로 돌아서는 것에 대한 두려움이 있는 것이 사실”이라면서 “기업체들이 공격적으로 이 기술을 받아들일 수 있는 인식의 전환이 있어야만 우리나라가‘그린 강국’으로 거듭날 수 있다”고 피력했다. NM