햇빛이 전기를 만들어내는 태양광 에너지의 원리는?

뜨겁고 강렬한 여름의 태양. 날씨가 추워지니 햇빛의 소중함도 더해가고 있는데요, 이러한 햇빛이 에너지도 만든다는 사실, 다들 들어보셨죠? 오늘은 신재생에너지 중에서도 가장 각광을 받고 있는 태양광 에너지의 발전 원리를 소개해드리려고 합니다.

이번 시간에도 본론에 들어가기에 앞서! 제가 소개해드렸던 신재생에너지 분야의 기사도 함께 읽어보세요~

신재생에너지
 
조력발전 : 세계 최대규모의 신재생에너지 발전소가 한국에? (http://nstckorea.tistory.com/512)
풍력발전 : 풍력발전, 바람이 전기를 만든다! (http://nstckorea.tistory.com/545)
가스 하이드레이트 : 차세대 자원 가스 하이드레이트! 왜 주목받는가?(http://nstckorea.tistory.com/580)

태양광 에너지는 이미 선진국들이 상용화에 거쳐 가정 및 상업용으로 많이 사용하고 있는데요, 우리나라도 태양광 에너지에 대한 투자와 발전이 많이 이루어지고 있습니다.

@USFWS Pacific Southwest Region / http://www.flickr.com/photos/usfws_pacificsw/5476868977/


어떻게 햇빛을 에너지로 사용할 수 있을까요? 햇빛을 전기에너지로 변환하는 것이 태양광 발전의 시작입니다. 우선, 햇빛을 받으면 ‘광전효과’에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용합니다. 여기서 광전효과(Photovoltaic Effect)란, 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다.


태양전지의 경우, 공유결합 상태에서 외부에서 열이나 빛을 받으면 원자들을 결합시키고 있던 전자들이 에너지를 받아 공유결합을 깨고 자유롭게 이동하게 되는데 이렇게 전도에 기여할 수 있는 전자를 전도전자라고 합니다. 이렇게 태양전지에서 만들어진 전자가 빠져나온 자리를 정공이라고 부르는데요, 이때 전자는 음전하(-)를, 정공은 양전하(+)를 운반하게 됩니다. 덧붙여, 전하는 입자가 가지고 있는 전기량을 말합니다.
다시말해 태양전지는 태양광을 이용해서 전자와 정공을 만들어 전류를 흐르게 한 것입니다.

그림과 같이 태양전지가 태양광(햇빛)을 흡수하면 전공(+)과 전자(-)가 생성됩니다. 정공과 전자가 자유롭게 움직이다가 N형 반도체와 P형 반도체가 전하를 분리합니다. 그리고 전자는 N형 반도체로, 정공은 P형 반도체로 모여 전극을 형성하여 전자를 외부회로로 흐르게 하면 전류가 발생하게 되는 것입니다.

그렇다면 태양광 발전 공정은 어떨까요?

태양광 발전 공정
폴리실리콘 → 잉곳/웨이퍼 → 셀 → 모듈 (→인버터) → 태양광발전시스템

먼저, 폴리실리콘이라는 원료가 필요합니다. 폴리실리콘은 규소에서 화학적 반응을 통해 뽑아낸 작은 실리콘 결정체들로 이루어진 물질입니다. 일반 실리콘에 비해 전기적 안정성, 발수성, 내화성 그리고 빛에 잘 반응하는 등의 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 이것이 태양광 에너지를 전기에너지로 전환하는 핵심 소재입니다.
 
이 폴리실리콘을 가공하여 중간소재인 잉곳[ingot]을 만듭니다. 잉곳[ingot]은 폴리실리콘을 녹여 기둥 모양으로 만든 것입니다. 잉곳을 얇게 잘라 셀을 만드는 웨이퍼를 만듭니다. 웨이퍼는 주로 반도체의 재료가 되는 얇은 원판입니다.


이 웨이퍼로 태양광 전지의 핵심 부품인 을 만듭니다. 태양광을 전기에너지로 바꿔주는 반도체입니다. 효율이 높고, 가격이 비싼 단결정과 가격이 저렴한 다결정 등 다양한 종류가 있습니다.
 
이 부품들을 하나의 판으로 조립한 것이 모듈입니다. 크기는 가정용에서 상업용으로 다양합니다. 여기서 태양전지 모듈은 직류의 전기를 생산합니다. 우리가 쓰는 전기는 교류 전기이기 때문에 직류전기를 교류전기로 바꾸는 인버터도 필요합니다.
 
이렇게 태양광발전시스템이 완성이 되는데, 시스템에도 독립형과 계통연계형으로 나뉩니다. 독립형은 전력을 저장하였다가 필요할 때 사용하는 방식으로 산간벽지 등에서 사용하고, 계통연계형은 전력계통(발전소, 변전소, 송전선을 포함한 넓은 지역)에 연계가 가능한 지역에서 사용합니다.

@hoyasmeg / http://www.flickr.com/photos/emeryjl/3536179709/


태양광과 태양열을 많이 헷갈려하시는 분들이 많습니다. 태양열은 태양광과 다르게 태양열을 모으는 집열장치와 이를 생산하는 발전장치, 열에너지를 축적하는 축열장치로 구성되어 있습니다. 집열장치는 반원형 접시형으로 생겨 빛을 집중적으로 모울 수 있는 모형입니다. 모은 열을 물을 끓여 증기를 발생시켜 그 힘으로 터빈을 돌리는 것이 발전장치입니다. 여기서 축열장치는 모은 열을 활용해 저장하기도 하는데 이 역할을 합니다. 비슷하면서도 조금은 다른 태양광과 태양열의 발전을 이해하셨나요?

태양광발전과 태양열발전의 차이
태양광발전
: 태양빛 → 전기
태양열발전 : 태양열 → 기계에너지 → 전기

신재생에너지 중에서 태양광이 주목받고 있는 이유에너지원이 무한하고 청정하며, 햇빛이 내려쬐는 곳에서 필요한 만큼 발전이 가능하며 사람이 없이 발전이 가능하며 수명이 길다는 장점 때문입니다. 그러나 지역마다 일사량이 다르고 크기가 클수록 좋아 면적을 많이 차지하며 비용과 단가가 아직 비싸다는 단점이 있습니다. 우리나라에는 태양광 발전이 일조시수가 긴 전남이나 경상도 많이 위치해있습니다.

여름엔 단지 뜨겁고 따가운 햇볕, 겨울엔 따뜻했던 햇볕이 전기를 만들어낸다니 신기하지 않나요?
우리나라도 집집마다 태양광 발전을 설치해 전기를 쓰는 날이 오길 기대해봅니다.

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

그래핀, 환경 친화적이면서 저렴하게 대량 생산하는 길 열렸다!

작은 가방을 메고 있던 한 여성이 잠시 후 가방에서 무언가를 꺼낸다. 그녀가 꺼낸 것은 바로 돌돌 말려있던 e-book! 말아서 작게 만들어 갖고 다닐 수 있어 여성들의 작은 가방에도 충분히 들어가기 때문에 많은 이들이 애용하고 있다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그리 멀지 않은 미래에 이런 일들을 우리 생활 속에서 자연스럽게 볼 수 있지 않을까?
이 모든 것을 가능하게 하는 것은 바로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 ‘그래핀’ 이다. 그래핀흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이루고 있으며, 최근 디스플레이, 에너지, 환경, 반도체 소자 등에서 주목받고 있다.

지난 2004년, 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀이 스카치테이프를 이용해 흑연으로부터 마이크로미터* 크기의 그래핀을 떼어내고 그래핀의 탁월한 물리적․전기적 특성을 밝히면서 그래핀은 기존에 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 떠올랐다. 그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양은 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었다.

그래핀의 구조 @CORE-Materials / http://www.flickr.com/photos/core-materials/5057399792

현재, 그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 19세기부터 사용해온 흑연을 강산과 산화제로 처리하여 산화흑연을 만든 후 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것이다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버린다. 이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 유독한(발암물질) 환원제로 환원시키는 과정을 거치지만 그렇다고 100% 환원되는 것도 아니다. 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남기 때문에 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다. 하지만 최근 친환경적인 방법으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 신기술이 국내 연구진의 주도로 개발되면서 다시 주목을 받고 있다.

그래핀의 대량 생산 가능성을 밝혀준 이번 연구는 울산과기대 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수 등이 참여했으며, 유독물질(강산, 강한 부식성 산화제)을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하는 기존의 그래핀 제조 방법의 단점을 극복하여, 친환경적이면서도 저렴하게 그래핀을 대량 생산하는 신기술(EFG 기술)을 개발하는데 성공하였다. 

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

백 교수팀은 흑연을 드라이아이스(고체상태의 이산화탄소)와 함께 볼밀 용기(ball mill, 대표적 분쇄기)에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 EFG 기술을 처음으로 개발하였다. 연구팀이 개발한 EFG 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있다.

백종범 교수는 “이번 연구는 매우 간단한 장비인 볼밀을 이용해 화학적 용매나 유독물질을 포함하지 않는 친환경적인 공법으로 대량 생산하는 원천기술을 개발한 것으로, 150년 역사의 산화·환원법을 통해 그래핀을 생산하는 기술을 대체할 수 있는 탁월한 기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 3월 27일자로 게재되었다. (논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

문의처 |
UNIST 친환경에너지공학부 백종범 교수 (052-217-2510)
교육과학기술부 기초연구지원과 김래수 사무관(02-2100-6831)
한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원(042-869-6116)

자료 | 교육과학기술부 보도자료

 

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

미국 샌프란시스코 실리콘밸리 탐방기 <1> - IT 기업편
(Intel, CISCO)

Intel 전시관 앞의 전경


 본격적인 탐방기에 들어가기에 앞서 추천 꾹~!!

 인텔 (Intel)은 모르는 사람이 없을 정도로 유명한 반도체 (Semi-conductor) 기업입니다. 한국의 삼성전자 (Samsung Electronics) 또한 반도체 기업인데, 다루는 분야가 약간 다릅니다. 인텔의 주력 품목은 마이크로프로세서와 각종 집적회로를 설계 및 제작하는 기업입니다. 흔히 컴퓨터를 구매 할 때 CPU (중앙연산처리장치) 라고 불리는 부품을 생산하는 반면에 삼성전자는 반도체 분야에서 주로 메모리를 주력으로 생산합니다. 흔히 RAM 이라고 불리는 부품 이며 그 외에도 낸드플래시 메모리 등을 생산하고 있습니다. 현재 까지는 반도체 기업 중에 인텔이 1위를 달리고 있지만, 여러 분석 결과에 의하면 삼성전자가 2014년경에는 세계 1위 반도체 기업으로 올라선다는 분석도 있다고 하네요.

 다시 인텔의 이야기로 돌아가서, 인텔 역시 미국의 여러 IT 기업들과 같이 미국 서부 샌프란시스코의 실리콘밸리에 창업 기반을 두고 있는데요, Caltech (캘리포니아 공과대학교) 출신의 고든 무어와 로버트 노이스가 공동 창업 하였습니다. 원래 Intel의 기업 명칭은 ‘Intergrated Electronics Corporation’ 이라는 이름이었는데요, 인텔 창업 전에 이들은 인텔의 전신이라고 할 수 있는 ‘Fairchild Semiconductor’를 설립하였습니다. 여기서 세계 최초의 상업용 집적회로(IC) 칩이 발명되었으며, 현재도 명맥을 유지하고는 있지만, 사실상 인텔로 대부분이 넘어가게 되었습니다. Fairchild 회사 또한 ‘윌리엄 쇼클리’ 라는 공학자와 같이 한 회사에서 떨어져 나와서 세우게 되었는데요, 때문에 ‘8명의 배신자’ 라는 스토리로도 유명하답니다. 궁금하신 분들은 한번 찾아보세요.^^

Intel Quality Award

 앞서 파란만장(?) 한 인텔의 창업 스토리 이후에 인텔은 트랜지스터와 소켓 및 각종 회로를 한데 모아놓은 집적회로 및 마이크로프로세서 연구 및 개발에 집중하게 되었습니다. 이 후 최초의 마이크로프로세서 개발 이후에 우리가 흔히 알고 있는 386, 486 프로세서 및 팬티엄 프로세서 및 현재의 Core i7 프로세서까지, ‘CPU = 인텔’이라는 공식을 만들어 버렸죠. 이러한 인텔이 현재까지 있게 해준 데에는 세계 최초, 최고라는 수식어 이외에도 ‘품질 (Quality)’ 이라는 중요한 요소가 작용했습니다.

 이 전까지 산업혁명 이후에 대부분의 중공업, 중장비, 자동차 등의 Ford의 컨베이어밸트 생산방식 등의 혁명을 거쳤지만, Intel과 같은 micro chipset을 제조하는 초미세 공정에서의 생산공정 관리 및 품질관리는 상당히 까다로운 축에 속합니다. 이는 약간의 오차나 불량이라도 허용하지 않는 전자부품 및 IT 업종의 특징이기도 합니다.

 이러한 특징을 잘 보여주듯, 인텔은 품질을 제일시하여 관련 상을 제정 해 두었습니다.

무어의 법칙

 
 또 하나 인텔에서 유명한 점은 바로 ‘무어의 법칙 (Moore’s Law)’ 일 것입니다. 이는 인텔의 공동 창업자인 고든 무어가 1965년 Electronics 라는 저널에 실린 논문에서 향후 집적회로의 성장에 대해서 전망 했는데, 이것이 ‘무어의 법칙’ 으로 불리게 되었습니다. 단적으로 말해서 ‘반도체 집적회로의 성능이 18개월마다 2배로 증가한다.’라는 말인데, 이는 곧 전체적인 컴퓨터의 성능으로 보아도 무방합니다. 비슷한 논지로, ‘컴퓨터의 가격은 18개월 마다 반으로 떨어지게 된다’는 무어의 법칙의 조건이 있습니다.

 하지만, 한국에서 삼성전자의 황창규 사장이 2002년 국제반도체회로 학술회의에서 ‘메모리 신 성장론’을 주장하며 메모리반도체의 집적도가 1년에 2배씩 늘어난다는, 무어의 법칙에 반하는 이론을 주장하였습니다. 이는 삼성전자의 낸드플래시 메모리 개발에서 그대로 드러났는데, 2008년 이전까지 실제로 삼성전자는 1년마다 2배의 집적도의 메모리를 개발 하였으나, 2008년에 128GB NAND 플래시 메모리를 발표하지 않음으로써 이 이론은 깨지게 되었습니다.

공동 창업자 Robert Noyce 의 명언


  고든 무어와 함께 인텔의 공동 창업자인 Robert Noyce의 명언이 인텔에서 가장 기억에 남습니다. ‘Don’t be encumbered by history, Go off and do something wonderful‘ 이란 말을 인텔 전 직원에게 했다고 하네요. 즉, 지금까지의 과거, 역사에 너무 얽매이지 말고 무언가 좀 더 대단한 일을 하라 ! 라는 건데요, 인텔이 오랜 시간 동안 지속 될 수 있던 이유가 아닌가 싶습니다. 물론, 인텔과 동종업계에 AMD 라는 마이크로프로세서 메이커가 있긴 합니다만, 인지도 등의 여러 면에서 볼 때에 Intel 의 광고문구처럼 그야말로 컴퓨터는 대부분 ‘Intel inside’ 의 세상에서 살고 있는 것이 아닌가 싶네요 ^^

CISCO 본사 캠퍼스의 앞의 전경

 다음으로 ‘CISCO’에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 약간은 생소할 수도 있는 이 기업의 정식 명칭은 ‘CISCO Systems’입니다. 주로 B2B (Business to Business) 방식의 사업을 하는 회사이기 때문에 일반 소비자들에게 많이 친숙 한 편은 아니지만, 우리가 사용하고 있는 인터넷과 많은 관련이 있습니다. 각 국가의 통신서비스 회사에서 각 가정에 인터넷이 들어오기 까지 많은 경로와 장비가 필요하게 되는데요, 이러한 네트워크 솔루션 및 이에 따른 장비를 설계 및 공급해주는 세계 제일의 업체가 바로 CISCO Systems입니다. 그 외에도 가정용으로 볼 수 있는 것으로는 인터넷 유무선 공유기가 있겠네요.

 그 외에 현재 인터넷전화로 불리는 VoIP 기반 기술의 전화기와 라우터, 서버, 케이블 TV의 셋톱박스 등의 다양한 하드웨어 및 서버 및 통신 관리의 소프트웨어 등의 제품군이 있습니다. 앞서 인텔이 조금 더 전자회사라면, CISCO는 통신 및 관련 장비 등을 취급하는 회사라고 보면 되겠네요.

CISCO 본사 로비 모습

 역시나 미국 서부 샌프란시스코 실리콘밸리에 캠퍼스가 위치한 CISCO는 특이하게도 본사가 한 군데에 한 건물에 몰려 있는 것이 아니라, 실리콘밸리 곳곳에 흩어져서 분포하고 있었습니다. 이 근방에는 정말 이름만 대면 알 것 같은 기업들이 가는 길 도중에 간판을 걸어놓고 있었는데, 그 중에서도 CISCO는 약간 특이하게도 한 곳에 모여 있는 것이 아니라, 캠퍼스라고 부르는 여러 개의 CISCO 건물들이 실리콘밸리 안에서 흩어 져 있었습니다.

 그 중에서 서버실과 엔지니어들이 근무하는 건물에 방문 했습니다.
 
 우리 일행을 맞이한 분들은 인도 출신의 컴퓨터 프로그래머였으며, 현재 CISCO에서 수석 엔지니어로 근무하고 있다고 합니다. CISCO 회사에 대한 개략적인 설명과 그들이 하는 일 등을 설명 해 주었습니다. 무엇보다도 외국인으로서의 미국 생활 등을 잘 말해주었는데, 특히나 실리콘밸리의 문화는 출신, 배경을 묻기 보다는 능력과 기술만 있으면 뭐든 할 수 있는 기회가 평등하게 주어진다고 했습니다. 무엇보다도 정말 뛰어난 아이디어만이라도 있다면, 이를 구체화 시켜줄 팀과 자본, 기술, 경영은 함께 따라오는 좋은 벤처의 선순환 생태계가 구축되어 있다는 점이 실패를 용인해주지 못하는 우리나라와 달리 정말 부러운 점 이었습니다.

CISCO 지하 서버실

 여러 가지 통신 기술 등에 관한 개략적인 설명을 듣고서, 지하 서버실을 탐방하게 되었습니다. 실제로 이곳은 어마어마하게 크고 물론 공개되어서는 안될 수준의 부분은 아니었지만, 출입에 일정 절차가 따랐습니다. 그리고 내부는 엄청나게 덥고, 각종 기계음과 모터소리로 굉장히 소음이 심해서 시끄러웠습니다. 최근 각종 IT 기업 뿐 아니라 일반 기업들도 비대해지는 데이터의 보관 및 처리가 굉장한 이슈가 되었습니다. 지반이 불안한 일본열도의 기업들은 재빠르게 부산 등에 데이터 센터를 이전하는 방안을 고려하고 있고, 인터넷의 발달 이후에 최근 모바일 기기와 통신의 발달로 인한 ‘Big Data’ 의 증가와, data mining의 필요성 또한 대두되고 있습니다. 직접 이런 곳을 방문해 보니 느낄 수 있는 건, 이러한 다른 IT 기업 – Google, IBM 등 – 또한 대규모의 서버를 보유 하고 있을텐데, 실제로 이런 데이터를 유지하기 위한 서버를 냉각시키는 데에 소모되는 전기량이 굉장히 많다고 합니다. 무엇보다 지구온난화 등에 일조하고 있는데요, 이에 따라 좀 더 친환경적인 데이터의 관리 방법이 필요하게 됩니다. 가상화 (Virtualization) 방식 등이 대안으로 제시되고 있는데, 개인적으로는 Google의 행보가 굉장히 궁금하군요. ^^

CISCO 지하 Database 실

 CISCO 에서도 처리하는 데이터가 늘어나고 있어서, 비어있던 부분도 계속 장비가 들어와서 채워지고 있다고 하는데요, 지금 보이는 가장 작은 단위의 디스크 하나 조차도 우리가 일반적으로 사용하는 데이터의 단위를 넘어서는 정도의 큰 용량이라고 하네요. 이처럼 직접 데이터를 다루거나, 특히나 고객의 데이터를 관리하고, 처리하고 보관하는 등의 비즈니스를 하고 있습니다. 앞으로 더욱 더 정보, 데이터가 중요해지는 시대에서 시사하는 점이 크다고 봅니다.

 그 외에도, 방문 해 보지는 못했지만, Microsoft, Yahoo!, Facebook 등의 본사들이 실리콘밸리 도처에 있었지만 아쉽게도 지나가는 길에 구경만 할 수 있었습니다.

 이번에 다룬 인텔, 시스코는 한국어 홈페이지도 운영하고 있으니 www.intel.co.kr 및 www.cisco.co.kr 을 참조 하시면 더 많은 정보를 얻으실 수 있습니다!

감사합니다.

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 박 헌 준
 

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