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빛이 있는 곳이라면 더 이상 배터리 충전을 걱정할 필요가 없게 됐다. 태양전지와 리튬이온 배터리가 한 몸을 이룬 전원(에너지 소자)이 개발된 덕분이다. 이 전원은 태양광뿐 아니라 실내조명 아래에서도 작동해 빛만 있으면 어디서든 전자기기를 이용하게 해준다. 빛이 없는 상황에서도 배터리로 전자기기를 작동시킬 수 있다. 프린팅 방식으로 얇게 만드는 기술이라 활용범위도 넓다. UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 이상영-서관용 교수팀은 에너지 생산과 저장이 동시에 가능한 ‘태양전지-배터리 일체형 모바일 전원(에너지 소자)’을 개발했다. 고효율 결정질 실리콘 태양전지 모듈 위에 고체형 리튬이온 배터리를 박막으로 프린트하는 방식으로 만든 소자다. 현재까지 보고된 일체형 에너지 소자 중 최고 수준의 광충전 효율(7.61%)을 구현했다. 이상영 교수는 “배터리의 고질적인 문제인 사용시간 증대와 충전 문제를 동시에 해결할 수 있는 기술”이라며 “태양광 아래에서는 배터리의 에너지 밀도와 출력 밀도가 높기 때문에 소형 전자기기는 물론 전기자동차용 보조 에너지원으로도 활용할 수 있을 것”이라고 전망했다. 이번에 개발한 일체형 에너지 소자는 태양전지와 배터리는 알루미늄 판을 하나의 모체처럼 공유하면서 일체화된다. 알루미늄 판이 태양전지의 전극이자 배터리의 집전체(集電體)로 쓰이는 구조다. 외부 전선으로 둘을 연결하는 기존 방식과 달리 에너지 손실 없이 배터리 충전이 가능하다. 이를 위해 서관용 교수팀은 후면전극형 태양전지를 설계해 무손실 결정질 실리콘 태양전지 모듈을 구현했다. 단일 태양전지를 연결해 태양전지 모듈을 만들다 보면 에너지 손실이 생기는데 후면전극형 설계로 이를 막은 것이다. 또 단일 실리콘 기판에 형성된 소형 태양전지들의 배열을 그대로 이용해 모듈을 제조함으로써 공정을 단순화했다. 이상영 교수팀은 프린팅 기술을 이용해 결정질 실리콘 모듈 위에 고체형 배터리를 안정적으로 집적했다. 고체 형태인 음극, 전해질, 양극을 순서대로 인쇄해 배터리를 만든 것이다. 이를 통해 태양전지와 배터리를 연결할 때 발생하는 저항과 공간 손실을 최소화시켰으며, 최종 소자의 소형․박막화가 가능했다. 개발된 태양전지-배터리 일체형 에너지 소자는 신용카드 안에 삽입할 정도로 얇았고, 장착된 LED도 켤 수 있어 휴대용 전원으로 활용할 수 있음을 보였다. 태양광 아래에서는 단 2분 만에 배터리 충전이 가능했으며, 태양광보다 조도가 10배 낮은 실내조명에서도 충전이 가능했다. 또 60℃의 높은 온도에서도 안정적인 에너지 생산과 저장 능력을 구현할 수 있었다. 이상영 교수는, “태양전지-배터리 일체형 에너지 소자를 얇게 만들고, 태양광 아래서는 별도 충전 없이 배터리를 계속 사용할 수 있다는 점이 가장 주목할 부분”이라며 “스마트폰 등 모바일 전자기기의 사용 시간과 충전에 대한 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다”고 개발 의의를 설명했다. 이번 연구는 미래창조과학부의 ‘신진연구지원사업’, ‘기본연구지원사업’, ‘중견연구자(도약)지원사업’ 및 웨어러블 플랫폼소재 선도연구센터의 지원으로 진행됐다. 연구 성과는 ‘에너지 및 환경 과학(Energy&Environmental Science)지’ 4월호 표지논문으로 출판될 예정이다. 에너지 및 환경 과학지는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에 의해 발행되는 세계적인 권위지다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경○ 최근 우리 생활 전반에 스마트 IT기술이 접목되면서 스마트폰, 태블릿 PC 등의 스마트 기기가 보편화돼 현대인들에게 삶의 일부로 다가왔다. 이들 기기의 주전원으로 널리 사용 중인 리튬이온 배터리는 소비전력이 많이 요구돼 장시간 사용하기에는 부족한 면이 있다. 이로 인해 리튬이온 배터리의 사용시간을 늘리고 충전을 빠르게 진행하는 기술에 대한 기술이 부각되고 있는 실정이다. 이를 보완하기 위한 기술적 시도로서 태양전지와의 결합이 제안되고 있으나, 태양전지가 배터리와 별도로 사용돼 효율성이 낮고 휴대하기도 불편하다는 한계가 있었다. ○ 이런 한계를 극복하기 위한 기술이 태양전지와 배터리를 결합한 ‘태양전지-배터리 일체형 에너지 생산/저장 소자’다. 이와 관련된 기존 연구에서는 에너지 생산을 위해 상대적으로 구동전압이 높은 ‘염료감응형 태양전지’를 사용하거나, 에너지 저장을 위해 용량이 낮은 ‘커패시터(capacitor)’를 사용했다. 이로 인해 에너지 생산과 저장 효율이 낮을 뿐만 아니라, 태양전지와 커패시터 양쪽 모두 전해질 누액에 의한 안전성 문제가 있어 실질적인 응용이 거의 불가능했다. |
2. 연구내용○ 이번 연구에서는 에너지 생산 소자로 ‘결정질 실리콘 태양전지’를, 그리고 에너지 저장 소자로 ‘고체형 리튬이온 배터리’를 이용해 고효율/고안전성이 확보된 일체형 에너지 생산/저장 소자를 개발했다. 특히 결정질 실리콘 태양전지 모듈과 고체형 배터리의 집전체를 하나의 몸체처럼 공유함으로써 저항손실을 최소화하고 에너지 소자의 소형화․박막화를 가능하게 했다. ○ 기존의 결정질 실리콘 태양전지는 금속전극이 상·하부에 존재한다. 이와 달리 이번 소자는 금속전극이 모두 후면에 존재하는 ‘후면전극형 태양전지’다. 이 구조는 모듈 제조 과정을 단순하게 만들고 태양전지 모듈의 무손실 효율을 구현하는 데 유리하다. 단일 실리콘 기판 위에 제조된 25개의 소형 태양전지를 직렬로 연결한 태양전지 모듈은 별도의 태양전지 배열 과정이 없이도 14V의 높은 전압을 생산했다. 또 태양광이 아닌 실내전등 아래에서도 배터리 충전이 가능한 5V 전압을 생산해, 실·내외 모두 사용가능한 태양전지-배터리 에너지 소자임을 입증했다. ○ 정교하게 설계된 박막 프린팅 기술을 활용해, 고체형 배터리를 실리콘 모듈 위에 집적할 수 있었다. 고체형 배터리 두 개를 직렬로 연결한 바이폴라(Bipolar) 구조 구현을 통해 고전압 구현이 가능했다. ○ 개발된 태양전지-배터리 일체형 에너지 소자는 단 2분 내에 배터리 충전이 가능했다. 이러한 고속충전 특성과 소형/박막화는 스마트 카드의 주전원으로 활용할 수 있음을 보여준다. 또 태양광보다 10배 낮은 실내조명에서도 배터리를 충전해 사용할 수 있었다. 열 안정성이 우수한 고체형 배터리를 사용한 덕분에 60℃의 높은 온도에서도 안정적인 전기화학적 특성을 구현할 수 있었다. ○ 태양광 아래에서는 매우 높은 부하 전류에서도 배터리를 계속 사용할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 스마트폰과 MP3 플레이어 등의 모바일 기기를 충전시켰으며, 이는 궁극적으로 전기자동차와 같은 사용 전력이 높은 전자기기의 보조전원으로 활용할 수 있는 에너지 소자 제조 기술을 확보했음을 의미한다. |
3. 기대효과○ 빛을 이용해 충·방전이 가능한 고효율/고안전성 에너지 일체형 박막 소자를 개발함으로써 모바일 기기의 가장 큰 걸림돌 중의 하나였던 휴대성 및 충전/사용시간 문제를 해결할 원천기술을 확보하게 됐다. 모바일 기기 외 전기자동차 등의 분야에도 광범위하게 적용할 수 있는 혁신적 개념의 에너지 기술이 될 수 있을 것으로 기대된다. ○ 무손실 태양전지 모듈화 기술은 현 태양전지 산업의 모듈제조 기술에 새로운 패러다임을 제공할 것으로 기대된다. 또 3차원 프린팅 등 신규 공정기술과 차세대 전지 소재와 접목하면 기존 전지 기술로는 적용하기 힘들었던 다양한 전자 기기 분야 전원으로 확대 적용이 가능할 것으로 예상된다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 에너지 및 환경과학(Energy & Exvironmental Science)誌에너지 및 환경과학 학술지는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에 의해 발행되는 세계적인 권위지(영향력 지수(Impact Fact: 25.427) 2. 후면전극형 태양전지실리콘 태양전지의 한 종류. 태양전지의 양극과 음극 전극이 모두 후면에 위치해 상부 표면에서 빛 손실이 없는 고효율 태양전지. 3. 태양전지 모듈단일 태양전지의 전압과 전류는 실생활에 응용하기에 낮아, 여러 개의 태양전지를 직렬 또는 병렬로 연결해 소정의 전압 또는 전류를 발생시킨다. 여러 개의 태양전지를 연결해 놓은 형태를 태양전지 모듈이라 한다. 4. 고체형 리튬이온 배터리기존 상업화된 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해질을 사용하고 있다. 고체 형태의 전해질을 이용하는 고체형 리튬이온 배터리는 전해액이 샐 우려가 없고 전지 안전성의 현저한 개선을 기대할 수 있다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 2. 무손실 결정질 실리콘 태양전지 모듈 제조과정: 실리콘 기판 위에 형성된 소형 태양전지를 배열한 그대로 투명 폴리머에 올려서 고정시킴으로써, 별도의 태양전지 배열 과정이 필요 없다. 또한 금속전극이 모두 한 면에 위치해 태양전지 사이의 직렬 연결이 용이하다.
그림 3. 태양전지-배터리 에너지 소자의 급속충전 및 스마트 카드 응용: (좌측)태양광 아래에서 2분 내에 배터리가 급속 충전되며, 태양광보다 10배 낮은 실내조명에서도 충전이 가능하다. (우측) 스마트 카드에 삽입돼 모바일 전원으로 사용 가능함을 증명한 그림이다. 태양광 아래에서 20초 노출된 이후에 LED 램프를 작동시킬 수 있다.
그림 4. 태양전지-배터리 일체형 에너지 소자의 전기화학 특성 및 스마트폰 충전: 태양광 아래에서는 28C의 높은 부하 전류에서도 배터리를 계속 사용할 수 있다. 이로써 스마트폰 등의 모바일 전자기기 충전이 가능하다.(*동영상 참조) * 1C는 배터리를 1시간 동안 사용할 때 쓰는 전류를 의미하며, 2C는 2분 1시간(30분) 동안, 28C는 28분의 1시간(약 2분) 동안 사용하는 전류를 의미함. |
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그림 1. 결정질 실리콘 태양전지-고체형 리튬이온 배터리 일체형 에너지 생산/저장 소자: 소형 실리콘 태양전지 모듈 전극과 고체형 리튬이온 배터리가 알루미늄 집전체를 통해 상호 공유된 구조.
