UNIST 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수와 에너지화학공학과 신승재 교수 연구팀은 자가조립 분자층(Self-Assembled Monolayer, SAM)의 화학 상태를 제어해 페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지의 성능과 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지 구조에서 발생하는 계면 불안정 문제를 해결하는 데 초점을 맞췄다. 기존에는 투명전극과 페로브스카이트 층 사이 계면이 불안정해 전하 이동이 저해되고 장기 안정성이 떨어지는 한계가 있었다.

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연구진은 자가조립 분자층(SAM)의 화학 상태를 제어하는 방식으로 문제를 풀었다. 2PACz 분자의 인산기에서 수소 이온을 제거하는 탈양성자화 과정을 통해 분자가 음전하를 띠도록 만들고, 이를 통해 ITO 투명전극과의 결합력을 높였다. 이로 인해 계면이 보다 균일하고 견고하게 형성되며, 공정 중 용매에 의해 손상되는 문제를 억제했다.

이 기술을 적용한 탠덤 태양전지는 최대 25.1%의 전력 변환 효율과 2.23V의 개방전압을 기록했다. 또한 최대출력점 추적 조건에서 220시간 이상 구동 후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지하며 안정성을 확보했다.

연구진은 동일 기술을 광전극 기반 수소 생산 장치에도 적용했다. 별도의 외부 전압 없이 물 분해 반응을 유도할 수 있는 광전압을 확보했으며, 태양에너지를 수소로 전환하는 효율은 7.7%에 달했다. 태양광 발전과 수소 생산을 하나의 시스템으로 통합할 수 있는 가능성을 제시한 셈이다.

연구진은 분자 수준에서 계면의 화학 상태를 정밀하게 제어함으로써 태양전지 성능과 내구성을 동시에 개선했다고 설명했다. 태양광 발전과 그린수소 생산을 결합한 차세대 에너지 시스템 구축에 활용될 수 있는 기반 기술로 평가된다.

KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수 연구팀은 한국화학연구원과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시키는 2차원 보호막 설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 권위 학술지 ‘줄(Joule)’ 2월 24일자에 게재됐다.

(상단 원) 전)한국화학연구원 문찬수 박사, (왼쪽부터) 한국화학연구원 전남중 박사, KAIST 이재희 석박통합과정생, KAIST 나하진 석사과정생, 

KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수 

기후 위기 대응과 에너지 전환이 가속화되면서 태양광 발전의 효율과 신뢰성 확보는 산업 전반의 핵심 과제로 부상하고 있다. 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트는 빠른 효율 개선에도 불구하고 고온·고습 환경과 장시간 광 노출에서 성능이 저하되는 문제가 상용화의 제약으로 지적돼 왔다.

기존에는 3차원 페로브스카이트 위에 2차원 층을 덧입히는 ‘3D/2D 구조’가 활용됐다. 표면 결함을 줄이고 안정성을 높이는 방식이지만 2차원 층의 구조적 취약성으로 시간이 지나면 성능이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 보다 안정적인 디온–재콥슨(Dion–Jacobson, DJ) 구조의 2차원 보호막을 도입하고, 보호막 내부에서 페로브스카이트 층의 적층 정도를 의미하는 ‘n값’을 정밀하게 제어하는 설계 전략을 적용했다. 유기 분자가 층 사이를 양방향으로 연결하는 DJ 구조를 통해 구조적 결속력을 높이고, 열처리 조건을 조절해 내부 구조를 균일하게 형성했다.

이 과정에서 전하 이동 특성이 개선되며 발전 효율이 상승했고, 동시에 구조적 안정성이 강화되면서 장기 성능 유지 능력도 확보됐다. 특히 열처리 과정에서 계면 구조가 재배열되며 보호막 내부 구조가 변화한다는 메커니즘을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 공정 조건을 제시한 점이 핵심 성과로 평가된다.

해당 기술이 적용된 태양전지는 전력변환효율 25.56%(공인 효율 25.59%)를 기록했다. 85℃, 상대습도 85%의 가혹 조건과 지속적인 광 조사 환경에서도 성능을 유지하며 장기 안정성이 검증됐다. 연구팀은 대면적 모듈 제작에서도 동일한 설계 전략을 적용해 상용화 가능성을 확인했다고 설명했다.

서장원 석좌교수는 “효율과 수명 간 상충 관계를 표면 보호막 구조 설계로 동시에 해결한 연구”라며 “공정 조건 변화에도 안정적으로 작동하는 특성을 확보해 대면적 제조 공정으로의 확장 가능성을 제시했다”고 밝혔다.

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수 연구팀은 햇빛을 흡수해 바닷물을 빠르게 증발시키는 3원계 산화물 기반 광열 증발기를 개발했다고 밝혔다. 해당 장치를 바닷물 위에 띄워 운용할 경우 1㎡ 기준으로 1시간에 약 4.1리터의 식수를 생산할 수 있는 것으로 나타났다.

이는 자연 증발 속도의 약 7배에 해당하며, 산화물 소재 기반 증발기 가운데 학계에 보고된 최고 수준의 성능이다. 연구팀은 전기 사용 없이 태양광만으로 이 같은 증발 효율을 구현했다는 점에 의미가 있다고 설명했다.

기술의 핵심은 태양광 흡수 효율을 극대화한 광열 변환 소재에 있다. 연구팀은 기존 망간 산화물의 일부를 구리와 크롬으로 치환해 3원계 산화물을 제작하고, 밴드갭 엔지니어링을 통해 자외선부터 가시광선, 근적외선 영역까지 태양광의 97.2%를 흡수하도록 설계했다.

해당 소재는 흡수한 빛을 효과적으로 열로 전환해 표면 온도를 최대 80도까지 끌어올린다. 이는 동일 조건에서 기존 망간 산화물이 기록한 63도보다 높은 수치다. 높은 표면 온도는 증발 속도를 높이는 핵심 요인으로 작용한다.

장지현 교수는 “내구성이 뛰어나고 대면적 적용이 가능해 실사용 단계로의 확장성이 크다”며 “전력 접근성이 낮은 지역의 식수 문제 해결에 현실적인 대안이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’에 온라인으로 공개됐으며 정식 출판을 앞두고 있다.

한국항공대학교 제공

비행시험은 지난달 8일부터 17일까지 약 열흘간 진행됐으며 극지연구소의 지원 아래 남극 장보고 기지 인근 지역에서 운용됐다. 연구팀은 7개월 이상의 준비 과정을 거쳐 장비 신뢰성, 기체 내구성, 운용 안정성을 확보한 뒤 시험 비행에 나섰다.

우주항공공학과 배재성·박상혁 교수팀이 개발한 KAU-SPUAV는 날개 길이 3.3m, 이륙 중량 4kg 규모의 초경량 태양광 무인기다. 날개 상단에 설치된 태양전지로 주간 비행 중 배터리를 충전하고 야간에는 축전된 전력으로 비행을 지속하는 방식으로, 지상 회수가 필요한 기존 전기 무인기에 비해 압도적으로 긴 체공 능력을 갖춘 것이 특징이다.

해당 기체는 이미 2021년 국내에서 56시간 33분 연속 비행 기록을 세우며 기술력을 입증한 바 있다. 이번 남극 비행시험에서는 백야 환경을 활용해 12~24시간 이상 비행 가능성을 실증하며 장기체공 운용에 대한 검증을 마쳤다.

연구팀은 “남극 대륙은 접근성과 환경 특성상 매우 높은 신뢰도의 비행 시스템이 요구된다”며 “이번 시험을 통해 태양광 기반 장기 체공 항공기가 극지 운용에서도 충분히 실효성을 가질 수 있다는 확신을 얻었다”고 밝혔다.

보고서는 수상태양광이 저수지와 댐 등 내수면에 설치되는 구조적 특성 덕분에 토지 훼손 없이 발전 설비를 확보할 수 있다는 점을 강조했다. 이는 산지 훼손과 사유지 점유 문제로 반복되는 육상 태양광의 갈등을 피할 수 있는 방식으로, 특히 수면 냉각 효과로 인해 발전 효율 증가까지 기대할 수 있다는 설명이다. 세계적으로는 이미 6GW 규모가 설치됐으며 이 중 80% 이상이 아시아 지역에 집중돼 있다.

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수상태양광을 둘러싼 환경 논란도 변화하고 있다. 도입 초기에는 녹조 증가와 수질 악화 가능성이 제기되었으나, 최근 연구에서는 오히려 수면 증발 억제를 통한 수자원 보전과 햇빛 차단에 따른 수온 안정화 등 긍정적 효과가 확인되고 있다. 다만 보고서는 수면 점유율이 과도하면 기초 생태계 생산성이 감소할 수 있어 면적 비율 조정과 생태 완충 장치 도입이 필요하다고 지적했다.

해외 사례는 한국에 강력한 시사점을 던진다. 네덜란드는 모래 채취장 인공호수에 수상태양광을 설치하며 생물 서식처를 함께 조성했고, 프랑스는 폐채석장 수면을 활용하면서 설치 면적을 제한하는 방식으로 조류 개체 수 증가와 생태 복원을 이끌어냈다. 중국 화이난에서는 폐석탄광 수몰지에 대형 수상태양광을 구축해 환경 갈등 없이 전력 인프라 확장을 달성했다.

한국 역시 초기 도입국으로 기록되어 있다. 2008년 세계에서 두 번째로 수상태양광을 설치했고 2013년에는 세계 최초로 해상형 수상태양광을 운영했다. 그러나 보고서는 한국이 이 경험을 실질적 확장 단계로 전환하지 못했다고 지적하며, 자연 호수 대신 폐광·폐채석장·산업용 저수지 등 이미 훼손된 수면을 활용하는 접근이 필요하다고 제언했다.

전문가들은 수상태양광이 한국에서 선택이 아닌 필수적 수단이 될 가능성이 크다고 전망한다. 토지 부담 없이 발전 설비를 확보할 수 있기에 향후 재생에너지 확대의 속도를 높일 수 있으며, 동시에 지역 수용성과 환경 보전의 균형을 고려한 제도 설계가 병행될 경우 수상태양광은 한국 에너지 정책의 핵심 축으로 자리잡을 수 있다는 평가다.

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이번 표준 제정은 산업융합형 신제품의 기술 발전과 시장 보급을 촉진하기 위한 조치로 평가된다. 국가기술표준원은 2023년 산업융합 신제품 적합성 인증에 이어, 국내 기업의 해외 진출과 산업 생태계 확장을 지원하기 위해 PVT 복합모듈 KS를 제정했다고 밝혔다.

PVT 복합모듈은 태양광 발전과 태양열 집열을 동시에 수행해 효율을 극대화하는 기술이다. 전기와 온수가 동시에 필요한 건축물이나 공공시설에 적합하며, 제로에너지건축물(Zero Energy Building) 인증에도 유리하다. 이에 따라 정부가 추진 중인 ‘재생에너지 중심의 에너지 대전환’ 및 에너지 자립화 정책에도 핵심 역할을 할 것으로 기대된다.

국가기술표준원은 이번 표준 제정을 통해 국내 제조사의 제품 신뢰도를 높이고, 공공 조달 및 민간 시장 진입 장벽을 완화할 계획이다. 향후 국제표준화 추진도 검토 중으로, 한국형 기술 기준을 글로벌 스탠더드로 확장하는 방안이 논의되고 있다.

김대자 국가기술표준원장은 “이번 PVT 복합모듈 표준은 융합 신제품 시장 활성화를 위한 대표 사례”라며 “국내 기업들이 글로벌 시장에서도 경쟁력을 확보할 수 있도록 국제표준화 전략을 병행하겠다”고 말했다.

환경부 산하 한국환경공단(이사장 임상준)은 ‘2025 대한민국 환경사랑공모전’을 개최한다고 밝혔다.

국내 최대 규모의 환경 분야 공모전인 ‘대한민국 환경사랑공모전’은 ‘환경보전홍보대상(1996년)’과 ‘정크아트 공모전(2006년)’을 2013년부터 통합하여 환경의 소중함을 알리기 위해 매년 열리고 있다.

공모는 △사진, △에코아트*, △일러스트레이션(일반/학생/인공지능) 3개 부문으로 총 상금 6,000만 원을 지급한다.

* 폐자원 사용에 대한 긍정적인 이미지 전달을 위해 명칭 변경(정크아트→에코아트)

사진, 에코아트, 일반부 일러스트레이션은 각 15점씩 45점, 학생부 일러스트레이션은 20점, 인공지능(AI) 일러스트레이션는 4점으로 총 69개의 작품을 선정한다. 

특히 올해는 인공지능(AI) 일러스트레이션 부문을 신설하여 첨단 정보통신기술 혁신을 문화예술 분야에 통합하는 장을 열어 환경보전에 대한 사회적 인식을 보다 확산시킬 수 있도록 했다.

각 분야 대상에는 사진 400만 원, 에코아트 700만 원, 일반부 일러스트레이션 400만 원의 상금과 환경부 장관상을 수여한다. 금상 이하 수상작에는 최고 300만 원의 상금이 주어진다. 

학생부 일러스트레이션 중·고등부 수상작에는 최고 100만 원, 초등부 수상작에는 최고 80만 원, 인공지능(AI) 일러스트레이션에는 최고 80만 원의 상금을 한국환경공단 이사장상과 함께 수여한다.

이번 공모전은 국민 누구나 참여할 수 있으며, 6월 2일부터 7월 28일까지 57일간 공모전 누리집(contest.keco.or.kr)을 통해 작품을 받는다.

공모전에 대한 자세한 내용은 공모전 누리집을 참조하거나 운영사무국에 전화(070-4019-0532)로 문의할 수 있다. 최종 수상작 발표 및 시상식은 9월~10월 중에 열릴 예정이다. 

임상준 한국환경공단 이사장은 “환경사랑 공모전은 매년 국민의 적극적인 참여로 진행되었다”라며, “환경사랑 실천의 주제를 전달하는 참신한 작품들이 나올 수 있도록 공모전 운영에 최선을 다하겠다”라고 밝혔다.