우주 태양광 발전

우주 태양광 발전, 과연 현실이 될 수 있을까요?

요즘 일론 머스크가 우주 데이터 센터를 만들겠다고 하면서 우주 태양광 발전이 다시 주목받고 있어요. 우주에서 데이터 센터에 전력을 공급하려면 태양 전지가 필수이기 때문이죠 . 그런데 이때 ‘페로브스카이트’라는 신소재가 엄청나게 이야기되고 있답니다. 페로브스카이트가 우주 태양 전지에 딱 맞는 물질처럼 보이지만, 사실 아직은 넘어야 할 산이 많다고 해요 .

 

성균관대학교 정현석 교수님은 페로브스카이트 분야의 최고 전문가 중 한 분인데요 . 교수님은 우주 태양 전지로 페로브스카이트를 사용하는 게 과연 가능할지, 또 어떤 장점과 한계가 있는지 자세히 설명해주셨어요. 현재 우주 태양 전지 시장은 어떤 상황이고, 페로브스카이트는 왜 이렇게 기대를 받는지 함께 알아볼까요?

 

우주 태양광, 지금은 어떤 방식으로 하고 있나요?

현재 위성용 태양 전지는 주로 '갈륨비소 계열 삼중접합 태양 전지'를 사용하고 있어요 . 이 태양 전지는 효율이 30% 이상으로 아주 높고 , 세 겹으로 쌓여 빛을 더 잘 흡수하죠 . 하지만 이 기술은 '에피텍셜 그로스'라는 아주 어려운 공정을 필요로 한답니다 . 단결정 위에 또 다른 단결정을 올리는 기술인데, 옹스트롬 스케일로 아주 조심스럽게 작업해야 해요 .

 

이런 복잡한 공정 때문에 생산 장비도 비싸고, 명함 크기 태양 전지 하나를 만드는 데만 4일이 걸린다고 해요 . 가격도 명함 크기 하나에 500달러(약 65만 원)나 하죠 . 예를 들어, 스타링크 위성 하나에 들어가는 태양 전지 비용만 해도 최소 20억 원 이상이고 , 일론 머스크가 구상하는 100MW급 데이터 센터에는 무려 20조 원이 필요하다고 하니, 어마어마한 금액이죠 . 만약 100GW를 만들려면 2만 조, 즉 20경 원이 든다고 하니, 지금 기술로는 사실상 불가능한 수준이에요 .

 

 

페로브스카이트, 우주 태양광의 새로운 희망이 될 수 있을까요?

그렇다면 페로브스카이트는 왜 이렇게 기대를 받을까요? 페로브스카이트는 실리콘 태양 전지보다 훨씬 저렴하게 생산할 수 있으면서도 효율이 아주 좋기 때문이에요 . 단일층으로도 26%의 효율을 내고, 두 층을 쌓으면 30%, 실리콘 위에 페로브스카이트를 얹는 '텐덤 셀' 방식으로는 무려 34%까지 효율을 올릴 수 있답니다 .

 

생산 공정도 아주 간단해서, 스크린 프린팅이나 잉크젯 같은 방식으로 저렴하게 대량 생산이 가능해요 . 게다가 기존 실리콘 태양 전지는 약한 빛에서는 발전 효율이 떨어지지만, 페로브스카이트는 약한 빛에서도 전기를 잘 생산하는 독특한 성질을 가지고 있어요 . 2년간 실제 설치해서 테스트한 결과, 실리콘보다 전기 생산량이 훨씬 많았다고 해요 . 이런 장점 덕분에 페로브스카이트는 지상용 태양 전지뿐만 아니라 우주용 태양 전지로도 큰 잠재력을 가지고 있죠 .

 

페로브스카이트, 어떤 단점과 숙제들을 가지고 있나요?

페로브스카이트가 이렇게 좋은 물질이지만, 아직 큰 숙제가 남아있어요. 바로 '안정성' 문제예요 . 페로브스카이트는 유기물과 금속을 포함하는 물질이라서 빛, 열, 전기(우주 방사선)에 취약하답니다 . 특히, 물질 내부에 결함이 생기기 쉬워서 쉽게 불안정해져요 .

 

우주 환경은 지상과 달라서, 급격한 온도 변화와 방사선에 대한 내구성이 매우 중요해요. 예를 들어, 우주에서는 해가 뜰 때 온도가 갑자기 100도 이상으로 올라갔다가, 해가 지면 영하 80도까지 뚝 떨어지는 '열 충격(Thermal Shock)'에 견뎌야 하죠 . 또한, 로켓 발사 시 발생하는 엄청난 진동에도 깨지지 않아야 하는 '내진동성'도 중요한 과제예요 . 이런 문제들을 해결하기 위해 소재 자체의 안정성을 높이는 연구와 함께, 외부 환경으로부터 보호할 수 있는 '봉지 기술(Encapsulation)' 같은 보호막 기술도 함께 개발되어야 한답니다 .

 

 

페로브스카이트의 효율은 왜 이렇게 좋을까요? 그리고 친환경적일까요?

페로브스카이트가 효율이 좋은 이유는 '납'이라는 중금속이 포함되어 있기 때문이에요 . 원자 번호가 클수록 빛을 흡수하는 면적이 넓어지는데 , 납이 바로 그런 역할을 하는 거죠 . 몸에 좋지 않은 납이 포함되어 있다는 점이 단점이지만, 현재 카드뮴이라는 중금속을 사용하는 '카드텔룰라이드' 태양 전지도 상용화되어 잘 판매되고 있어요 . 유럽의 유해 물질 규정(ROHS)에서도 태양 전지는 예외로 인정해주기 때문이죠 .

 

납이 포함된 페로브스카이트의 환경 문제를 해결하기 위해 '리사이클링' 기술이 아주 중요해요. 다행히 페로브스카이트는 기존 실리콘 태양 전지와 달리 결합력이 약해서 분해하고 재활용하기가 훨씬 쉽다고 해요 . 정현석 교수님은 10년 전에 세계 최초로 페로브스카이트 리사이클링 기술을 개발하기도 하셨답니다 . 사용 후 태양 전지를 회수해서 재활용하는 비즈니스 모델이 구축된다면, 페로브스카이트의 친환경성도 확보할 수 있을 거예요 .

 

우리나라는 페로브스카이트 기술 경쟁에서 잘하고 있을까요?

페로브스카이트 기술 개발 경쟁은 전 세계적으로 치열하게 진행 중이에요. 특히 중국은 엄청난 투자 규모로 이 분야를 선도하고 있죠 . 중국은 1천억 원을 투자해서 교수에게 1MW급 페로브스카이트 태양 전지를 학교에 설치하게 하는 등, 대규모 실증 테스트를 진행하고 있어요 . 이 데이터를 바탕으로 안정성과 효율을 확보해나가고 있답니다.

 

반면 우리나라는 아직 실험실 수준을 벗어나 양산용 면적 정도를 테스트하는 단계라고 해요 . 일본이 OLED 기술을 세계 최초로 개발했지만 대규모 투자가 늦어지면서 한국에 주도권을 뺏긴 것처럼 , 페로브스카이트도 자칫하면 중국에 상용화 주도권을 넘겨줄 수 있다는 우려가 커요 . 현재 독일과 싱가포르는 위성에 페로브스카이트 태양 전지를 실어 실제 우주 환경 테스트를 시작하는 단계이고, 우주용 태양 전지는 수명이 3년 정도로 짧게 요구되기 때문에 지상용보다 더 빠르게 상용화될 수 있다고 하니 우리나라도 더 적극적인 지원과 연구가 시급해 보여요 .