나노기술 및 정책 정보

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에너지원으로 태양만한 것도 없다. 태양 에너지는 인간이 보유한 기술로 개발할 수 있는 어떤 에너지원보다도 훌륭하다. 게다가 태양이 방출하는 빛 가운데 일부만이 지구에 도달하며, 이마저도 인간이 지구상에서 사용하는 상업 에너지의 1만 배에 달하는 양이다.

그렇다면 태양 에너지는 왜 중요한가?

인간이 이미 활용하고 있는 태양 에너지의 양은 대단하다. 전 세계적으로 태양광을 이용한 발전 시설이 증가하고 있으며, 그 규모가 수십억 달러에 이른다. 그러나 태양 에너지가 에너지 전체 시장에서 차지하는 몫은 1%에도 미치지 못하는 실정이다. 반면, 오일과 천연가스, 석탄 등 화석 연료가 차지하는 몫은 85%에 이른다.

그러나 화석 연료를 영원히 주 에너지원으로 활용할 수는 없는 일이다. 언제 화석 연료가 소진될 지는 정확히 예측할 수가 없지만, 오일과 가스 공급만으로는 나날이 증가하는 에너지 수요를 따라갈 수가 없다. 석탄의 경우엔 매장량이 풍부하긴 한데, 대기 오염과 수질 오염의 주범으로 낙인찍힌 상태며, 여타의 화석 연료에 비해 대기 중 이산화탄소의 농도를 현저히 증가시키는 것으로 나타났다.

장기적으로 볼 때, 지속가능 에너지원에 해당하는 태양 에너지는 매력적인 대안으로 꼽힌다. 미래에 아무리 많은 에너지 수요가 발생하더라도 전부 충족시키고도 남기 때문이다. 게다가 친환경적이고, 빛이 태양에서 방출돼 지구에 도달하기까지 운송료 한 푼 들지 않는다. 그러나 태양 에너지를 활용하기 위해선 먼저 난제부터 해결해야 한다. 태양 발전이 널리 퍼지는 데 장애가 되는 요인을 극복하기 위해서는 몇몇 부문에서 공학적 혁신이 일어나야 한다. 즉, 태양 에너지를 포집하여, 유용한 형태로 전환하고, 저장을 해두어, 흐린 날씨에 대비하는 것과 관련된 공학 기술을 말한다.

이러한 기술 여럿은 이미 실현 단계에 와 있다. 이를테면, 태양열 집열판을 이용해 태양광을 집중시켜 유체를 덥히고, 이를 이용해 엔진을 구동시켜 전력을 생산하는 기술을 들 수 있다. 또 포집한 태양광에서 직접 전류를 생산하는 방법도 있는데, 이 방법은 광기전성 전지를 이용하는 방법으로 이미 오래 전에 실현되었다.

태양 에너지 기술은 얼마나 효과를 보이고 있는가? 

그러나 오늘 날 상업적 태양 전지는 대개 규소(silicon)를 사용해 제작하며, 태양빛을 전기로 바꿀 때 효율이 고작 10-20%에 불과한 실정이다. 단, 테스트 전지 중 일부는 효율이 더 높게 나타나기도 하다. 제조비용에 대해 얘기해 보자. 전력망(power grid) 안에 들어가는 현행 전지 모듈로 전기를 생산할 때 그 비용은 전류 자체의 가격보다 3-6배 가량 더 많이 든다. 즉, 킬로와트 시(kilo watt hour)의 단가가 18-30 센트에 달하는 것이다. [태양 에너지 기술 프로그램] 태양 에너지가 경제적으로 경쟁력을 갖기 위해서는 전지의 효율을 높이고 제조비용을 낮출 수 있는 방법을 찾아야 할 것이다. 

태양 에너지의 효율 증대 역시 장밋빛 미래를 기대할 수 있다. 현행 표준 전지는 이론상 최대 31%의 효율을 갖는다. 이 효율은 규소 재료가 갖는  전기적 특성에  기인한다. 그러나 새로운 재료를 혁신적으로 배열하면 이 한계를 뛰어넘을 수 있으며, 일부 복층 구조의 전지의 경우, 최대 34%의 효율을 나타내기도 한다. 실험 전지를 사용했을 때 40% 가까이 나온 적도 있다.

효율을 높일 수 있는 다른 방법은 나노 기술을 도입하는 것이다. 나노 기술은 원자와 분자 수준의 크기를 갖는 조직을 다루는 공학으로, 단위는 나노미터(nanometer = 일십억 분의 1 meter)이다.

최근 실험 결과에 의하면, 납과 셀레늄 원소를 사용한 나노 결정 기술에서 아주 흥미로운 발전이 이루어졌다. [Schaller 등]. 표준 전지에서 빛의 입자(광자) 하나가 충격을 받으면 전자 하나가 방출되어 전하를 운반한다. 이 때 쓸데없이 과열 현상도 발생한다. 그런데 납-셀레늄 나노결정을 이용하면 과열 대신 2차 전자 방출이 일어날 확률이 높아져 전류의 생성이 촉진된다. 또 다른 실험 결과에 의하면, 규소를 사용해도 이와 같은 현상을 일으킬 수 있었다. [Beard 등]

이처럼 나노 결정을 이용하면 이론상 60% 이상의 효율을 기대할 수 있다. 실제에서는 이 보다 더 낮겠지만 말이다. 에너지를 회로에 전송하는 체계에 위와 같은 나노결정 전지를 통합할 방법을 알아내기 위해서는 공학적 발전이 절실한 형편이다. 

태양 에너지의 경제성을 높일 방안은?

이 외의 다른 재료를 태양 전지에 사용하여 제조비용을 낮출 수가 있다. 캘리포니아 공과대학의 네이선 루이스 화학자는 사이언스(Science)지에 게재한 논문에서 "태양 전지의 재료에 있어서 과학 기술적 혁신이 이뤄질 경우, 태양 발전의 비용과 이용 확대에 큰 영향을 미칠 수 있다"고 적었다. [Lewis 799]

가장 중요한 것은 재료의 순도다. 현행 태양 전지는 설계 시 고순도를 요하므로, 고가의 재료를 사용해야 한다. 불순물이 전하의 흐름을 차단할 수 있기 때문이다. 전하가 얇은 재료의 층 같이 단거리를 이동할 경우엔 문제가 되지 않는다. 그러나 이렇게 얇은 층을 사용하면 공정을 일으키기에 충분한 빛의 양을 흡수할 수 없다.

이러한 딜레마를 해결하는 한 가지 방법은 한쪽 방향으로 재료의 두께를 일차원화 하고, 다른 방향으로는 두께를 얇게 하여, 전하가 바로 이 부분을 통해 이동하게 만드는 방법이다. 일례로, 아주 작은 원통이나 나노 막대(nanorod)로 전지를 제작하는 방법이다. 이 때, 태양빛은 나노막대의 길이 방향을 따라 흡수되며, 전하는 나노막대의 좁은 폭을 건너가게 된다.   또 다른 접근 방법은 염료 분자 화합물을 이용해 빛을 흡수하고, 티타늄 이산화물 분자로 전하를 거두는 방법이다. 그러나 이 같은 체계로 경쟁력을 마련하려면 효율 증대가 필요하다.

태양 에너지는 어떻게 저장하는가?

이제 태양 전지는 발전을 거듭하여 보다 저렴하고 효율적으로 전기를 생산하는 길이 열렸다. 그러나 태양 에너지의 이용 확대를 저해하는 요소는 아직 남아 있다. 특히 저장과 관련해서 그렇다. 날씨가 흐리거나 밤이 되면 발전기를 돌릴 수 없기 때문이다. 그러므로 태양빛이 풍부한 시간대와 지역 등을 골라 태양 에너지를 포집, 저장해서 이에 대비해야 한다. 

대량으로 저장할 수 있게 하는 기술이 다수 개발됐다. 펌프 물(pumping water, 수력 발전 시 복구에 필요함) 또는 배터리를 산처럼 쌓는 것은 에너지를 저장하는 검증된 방법이긴 하다. 그러나 규모가 전력망의 비율로 커지면, 심각한 문제가 발생한다. 이 때 새로운 재료를 사용해서 축전기나 초전도 자석, 플라이휠(flywheel, 회전속도 조절 바퀴) 등의 효과를 크게 증진할 수가 있다. 언급한 소재 모두 여러 응용에서 전력 저장이 용이한 것으로 나타났다. [Ranjan 등, 2007] 

저장 문제를 해결하는 또 다른 방법은 식물이 광합성을 할 때 햇빛을 생물학적으로 포집하는 공정을 그대로 따라하는 방법이다. 식물은 태양 에너지를 분자 화학 결합 안에 저장한 뒤 이를 양식으로 사용한다. 식물이 햇빛을 이용해서 양식을 생산하는 방법을 그대로 따라하면 연료를 생산할 수 있는 것이다.

예컨대, 햇빛은 물을 전기분해할 때 에너지를 공급하여 수소 연료를 생산할 수 있다. 또 이 수소는 연료 전지에 에너지를 공급하고, 그 연료 전지는 발전 장치의 구실을 하여 사실상 오염 물질을 전혀 배출하지 않는 부산물을 생성하는 것이다. 수소가 산소와 결합하면 또 다시 물이 만들어지기 때문이다. 그러나 물을 효과적으로 분해하자면 화학 반응이 효율적으로 일어나야 하고, 그러자면 새로운 촉매를 이용해야 할 것이다. 천연 촉매라 할 수 있는 효소는 현재 나와 있는 산업 촉매들보다 훨씬 효율적으로 물에서 수소를 생산할 수 있게 한다. 살아있는 세포에서 얻는 촉매와 필적하는 촉매를 개발한다면, 태양 생산-연료 전지의 저장 체계에 한층 힘을 실어줄 것이다.

연료 전지는 또 다른 장점을 갖고 있다. 널리 배치될 수 있으므로 중앙 집중 방식의 발전이 갖는 취약성을 피할 수 있다.

태양 전지를 개선해 공학상의 난제를 해결하여 비용을 절감할 수만 있다면, 또 그렇게 생산한 전기를 이용해 저장 가능한 연료를 효과적으로 생산하는 방법을 찾아낼 수만 있다면, 태양 에너지는 문명사회가 지속적으로 번영하는 데 필요한 지속 가능한 동력으로서 화석 연료보다 훨씬 나은 입지를 다질 수 있을 것이다.