해외기술

미국 매사추세츠공과대학(MIT) 마크 발도(Baldo) 교수 연구진은 과학학술지 ‘사이언스(Science)’지에 염료(染料)를 칠한 유리창을 집광기(solar concentrator)로 이용해 태양광 발전의 에너지 효율을 20%까지 높일 수 있는 기술을 발표했다. MIT의 연구진이 개발한 집광시스템은 특정파장의 빛을 흡수하고 나머지 파장의 빛은 투과시키는 역할을 하는 다양한 유기물 염료를 유리기판상에 코팅하는 방식 통해 제작된다고 한다. 유리창 위에 코팅된 염료들은 흡수된 빛을 특정한 방향으로 다시 방출 하는 기능을 하며 재 방사된 빛은 광섬유를 통해 빛이 이동하는 것과 같은 원리로 태양전지가 부착된 유리창의절단면 으로 이동하여 전기에너지를 발생시키는데 사용된다. “유리창의 전면을 통해 입사되는 태양광은 코팅된 염료에 의해 유리창의 절단면으로 이동하게 되어 결과적으로 태양광이 집광되는 효과를 얻게 되는 것입니다” 본 연구의 프로젝트 리더인 마크 발머는 설명했다. “이 기술은 비용을 태양전지 시스템의 설치 및 운용에 필요한 비용을 혁신적으로 절감시켜 줄 것입니다. 값비싼 태양전지를 유리창 전면이 아닌 유리창이 끼워지게 될 창틀에만 설치하면 되기 때문 이죠. 태양광의 집광을 통해 작은 면적에 설치된 태양전지로도 넓은 면적을 가진 태양전지에 못지않은 에너지를 만들어 낼 수 있게 하는 것이 본 기술의 핵심입니다. 동일한 태양전지에서 집광된 태양광을 이용할 경우 그렇지 않은 태양광을 이용할 때보다 40배 이상의 전력을 생산할 수 있다고 알려져 있습니다” 태양전지의 효율을 높이기 위한 집광기(Solar Concentrator)는 1970년대에 이미 개발되었다. 하지만 빛을 모으는 기능만을 담당했던 오목거울 형태의 집광기는 불필요하게 크고 비효율 적이어서 극히 제한된 분야에만 적용되고 있었다. MIT의 연구진은 다양한 염료들을 특정한 비율로 섞어 유리기판에 코팅함으로서 빛의 흡수와 방출을 자유로이 조절 할 수 있는 방법을 고안했고 이 기술을 통해 수 십년간 빛을 보지 못했던 기술의 단점을 극복, 매우 가치 있는 기술로 탈바꿈 시킨 것이다. “우리는 빛이 이동할 수 있는 거리를 최대한 길게 만들기 위해 노력했습니다” MIT 연구팀의 일원인 Jon Mapel은 이야기했다. “우리는 유리창으로 입사된 빛이 유리창의 모서리까지 이동하면서 소모되는 것을 획기적으로 감소시킬 수 있었습니다. 그 결과 창틀에 설치된 태양전지에서 생산된 전력을 10배 이상 높일 수 있었죠” MIT의 새로운 집광 시스템은 현재 보급되어 사용되고 있는 유지보수 및 활용에 매우 큰 비용이 소비되는 태양광 집광기술의 비약적인 발전을 이끌 수 있는 새로운 기술이 될 것으로 보인다. “기존의 집광시스템을 이용한 태양전지의 경우 집광된 태양광의 높은 열 때문에 태양전지 및 집광기를 냉각시켜줄 수 있는 별도에 시스템의 사용이 필수적입니다. 뿐만 아니라 커다란 집광기는 주변에 그늘을 만들기 때문에 공간적인 낭비가 매우 심합니다” 본 연구의 프로젝트 리더인 Baldo는 그들이 개발한 집광시스템이 성공적으로 시장에 진입하기 전 개선 되어야 할 점으로 6.8%정도의 낮은 광 변환 효율과, 집광시스템의 핵심인 유기물 염료의 내구성을 꼽았으며 3년 이내에 대부분의 문제를 해결할 수 있을 것으로 전망하고 있었다. 그는 현재 최소한의 비용으로 현재의 태양광 발전시스템에 자신이 개발한 새로운 집광시스템을 적용시키는 방법에 대한 연구를 계획하고 있으며 성공적으로 적용될 경우 현재 사용되고 있는 태양전지의 효율을 50% 까지 높일 수 있다고 설명했다. Baldo의 연구팀에는 Michael Crrie, Timothy Heidel, 그리고 Mapel 이렇게 3명의 MIT 전기컴퓨터 공학부 대학원생과 한명의 박사 후 과정 Goffri으로 구성되어 있다.
        Ceramic Bulletin

그림 1. 유리창 타입 Solar Concentrator 활용 개념도
       염료가 햇빛을 흡수, 가장자리 고효율 태양전지로 전달하여 가정의 모든 창문을 전력공급용 태양전지로 활용 할 수 있다.

그림 2. MIT에서 개발한 유리창 타입의 Solar Concentrator - 유리창 타입의 Solar Concentrator는 유리창 전면을 통해 입사된 빛을 유리창의 가장이 쪽으로 이동시켜 태양광을 모아주는 역할을 한다. 다양한 파장(생상)별 Solar Concentrator는 태양광으로부터 특정파장 만을 분리해 주어 태양전지의 효율을 극대화 시킬 수 있다.