종이처럼 접고 5배 늘려도 발전…KIST, 변신하는 태양전지 개발[과학을읽다]

종이접기 원리 적용한 3차원 태양광 구조…1000회 변형에도 성능 유지
좁은 공간에 태양전지 면적 최대 225% 확보…건물 외벽·우주 활용 기대

종이처럼 접거나 크게 늘려도 전기를 생산할 수 있는 태양광 기술이 개발됐다. 건물의 곡면 외벽이나 좁은 공간에도 설치할 수 있어 기존 평판형 태양전지의 한계를 극복할 기술로 주목된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 차세대태양전지연구센터 이필립 센터장 연구팀이 형태를 자유롭게 바꾸면서도 발전 성능을 유지하는 3차원 태양광 메타구조체를 개발했다고 14일 밝혔다.

뿌리 형태의 은나노선을 활용해 표면 특성과 전기전도성을 개선하고, 액체금속의 적용 방식에 따라 전극에 다양한 기능을 부여할 수 있다. 연구팀 제공

기존 태양전지는 대부분 평판 형태여서 곡면이나 움직이는 구조물에 설치하기 어려웠다. 유연한 태양전지도 크게 늘어나면 태양전지를 배치할 수 있는 면적이 줄거나 전기 연결이 끊어지는 문제가 있었다.

연구팀은 종이를 자르고 접어 형태를 바꾸는 '키리가미(Kirigami)'와 '오리가미(Origami)' 원리를 활용했다. 구조를 잡아당기거나 접으면 원하는 형태로 변하면서도 전기가 흐르는 연결망은 유지하도록 설계했다.

핵심은 새로운 전극 기술이다. 가느다란 은 나노선을 구조체 표면에 고정하고 유연한 인듐·갈륨 액체금속을 결합했다. 은 나노선이 전기가 흐르는 통로를 만들고 액체금속이 연결망의 빈틈을 메우는 방식이다. 태양전지 모듈을 복잡한 배선 없이 탈부착하는 기술도 구현했다.

4가지 형태로 변형할 수 있는 구조와 전도성 나노복합체를 활용해, 용도에 따라 신축성과 태양전지 집적도를 높일 수 있는 에너지 발전 시스템을 개발했다. 연구팀 제공

실험 결과 구조체가 초기 길이보다 500% 늘어나는 변형에도 발전 성능이 거의 변하지 않았다. 1000회 반복 변형 후에도 성능을 유지했다. 태양전지를 촘촘히 배치한 별도 구조에서는 평면 설치면적 대비 최대 225%의 태양전지 면적을 확보했다. 약 100% 늘어난 상태에서도 설치면적에 해당하는 태양전지 면적을 유지했다.

전극은 약 2년간 실내 보관한 뒤에도 성능 저하가 관찰되지 않았으며, 1만회 반복 접힘 시험에서도 안정적으로 작동했다.

건물 외벽부터 우주까지…상용화 위한 내구성 확보 과제

연구팀은 올해 초 약 900㎠ 크기의 형태 변형 태양광 시스템을 개발한 데 이어 이번에는 구조의 움직임과 전기 연결을 함께 설계하는 데 성공했다.

다만 실제 건물에 적용하려면 강풍과 비바람에 견디는 내구성, 고정 기술, 화재안전성 등을 추가로 확보해야 한다. 연구팀은 건물 외벽용 태양광 시스템의 상용화 기술을 개발하고 이동체와 휴대용 발전 장치, 우주 전개형 태양광 시스템으로 활용 범위를 넓힐 계획이다.

KIST 연구팀 사진. KIST 제공

제1저자인 황석준 KIST 박사후연구원은 "앞선 모듈형 구조 기술을 실제 태양전지 모듈과 결합해 건축용도의 상용화를 추진하고, 향후 이동체와 전개형 시스템까지 적용 범위를 넓혀갈 계획"이라고 밝혔다.

교신저자인 이필립 센터장은 "이번 연구는 구조의 움직임과 형태, 전기적 기능까지 함께 설계했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 최신호에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr