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미래&과학기술

그림자로 전기 만든다…‘태양전지 효율 2배’ 음양전지 개발

등록 :2020-06-10 08:59수정 :2020-06-10 10:08

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양달-응달 밝기 차 이용해 전기 생산
기존 태양전지보다 효율 두배나 좋아
이동 물체·빌딩 모니터링 센서 유용
양달과 응달의 밝기 차이를 이용해 전기를 만드는 음양전지. 싱가포르국립대 제공
양달과 응달의 밝기 차이를 이용해 전기를 만드는 음양전지. 싱가포르국립대 제공

뙤약볕이 내리쬐는 한여름 낮의 그늘은 더위를 식혀주는 청량제와도 같다. 하지만 빛을 이용해 전기를 생산하는 태양전지 시스템에선 눈엣가시 같은 존재다. 전기 생산을 방해하는 역할만 할 뿐이기 때문이다. 그림자를 그런 궁색한 처지에서 벗어날 수 있게 해주는 새로운 광전지 기술이 개발됐다.

빛이 직접 비치는 양달 부분과 그늘이 진 응달 부분의 밝기 차이를 이용해 전기를 만드는 음양소자 기술이다. 물론 생산하는 전기량은 많지 않다. 따라서 스마트 안경, 시계를 비롯한 소형 전자기기의 동력 공급원으로 쓰기에 적합한 기술이다. 압력 차이를 이용해 전기를 만드는 압전소자, 온도 차이를 이용하는 열전소자에 이은 새로운 소형 전자기기용 전력 공급원으로 주목된다.

싱가포르국립대 연구진이 개발한 이 장치의 정식 명칭은 그림자효과 발전기(SEG=shadow-effect energy generator)다. 유연하고 투명한 플라스틱 판 위에, 태양전지에 널리 쓰이는 실리콘 셀을 심은 형태다. 실리콘에는 금 박막을 입혔다. 태양전지와 마찬가지로 실리콘에 빛이 비치면 전자가 활성화하는데, 전지의 일부에 그림자가 드리워지면 밝은 부분과 그늘진 부분 사이에 전압 차이가 생겨 전류가 흐르는 방식이다. 따라서 전지 전체에 빛이 비치거나 안 비칠 때는 전기를 거의 생산하지 못한다.

음양전지는 기존 태양전지보다 효율이 두배 좋다. 픽사베이
음양전지는 기존 태양전지보다 효율이 두배 좋다. 픽사베이

절반은 양달, 절반은 그늘일 때 발전량 최고

이용법은 간단하다. 발전기의 일부를 응달에 두기만 하면 된다. 전기 생산량은 장치의 절반은 그늘에, 절반은 양지에 놓일 때 가장 많다. 밝은 부분과 어두운 부분의 차이가 클수록 발전량도 많아진다. 연구진은 8개 셀을 갖춘 음양전지로 실내 조명 아래서 전자시계(1.2볼트)를 작동시키는 데 성공했다. 연구진은 4셀짜리 전지로 비교 실험한 결과 실리콘 태양전지보다 효율이 200% 좋은 것으로 나타났다고 밝혔다. 실리콘의 햇빛 수집 능력이 좋아지면 발전기 성능은 더 좋아질 수 있다. 실리콘이 덜 들어가기 때문에 제조 비용도 실리콘 태양전지보다 저렴하다.

연구진은 이 음양전지가 그림자의 움직임을 추적하는 방식으로 이동물체를 모니터링하는 센서에 매우 유용할 것이라고 말한다. 연구진은 "이 방식을 이용하면 저렴한 비용과 단순한 구조, 높은 효율을 기반으로 주변 환경을 이용해 청정 전기를 만들고, 이것으로 전자기기를 구동하는 에너지 자급 구조를 창출할 수 있다"고 밝혔다. 특히 연구진이 주목하는 미래 유망 분야는 빌딩의 스마트센서 시스템이다.

연구진은 앞으로 기존 태양전지의 그늘진 부분에서도 전기를 생산할 수 있는 방법을 개발할 수도 있을 것으로 내다봤다. 실현될 경우 쓸모없고 음습하게만 생각했던 `그늘'은 에너지를 창출하는 새로운 동력원으로 변신하게 될 것이다.

연구팀은 음양전지의 개념을 구축해서 전지를 개발하고 완성하기까지 4개월이 걸렸다고 밝혔다. 연구를 이끈 탄스위칭 박사는 "기존 광전지에서 그림자는 장치의 성능을 저하시키기만 하는 존재였다"며 "그림자에서 에너지를 수확하는 방식은 전례가 없는 새로운 개념"이라고 강조했다.

연구진의 보고서는 과학저널 ‘에너지와 환경과학’(Energy & Environmental Science) 4월15일치에 실렸다.

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr, ▶곽노필의 미래창 바로가기

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