일본산업뉴스요약

일경산업신문_2019.3.7(목)_16면

Start Up Innovation / Science
우주에서도 사용 가능한 구부러지는 태양전지
 JAXA∙리코 등, 기존 위성용의 10분의 1 

가혹한 우주 환경에도 견딜 수 있으며 사용하기 쉬운 태양전지는 없을까? 우주관계자의 절실한 바램에 부응하는 ‘페로브스카이트 형 태양전지’ 개발이 추진되고 있다. 우주항공연구개발기구(JAXA)를 중심으로 복사기로 축적해 온 재료 기술을 보유하고 있는 리코 등이 결집. 저렴하면서 가볍고 구부러지는 기술의 확립을 목표로 하고 있다. 인공위성을 비롯해 모든 사물이 인터넷에 연결되는 ‘IoT’의 전원용도로도 기대가 모아지고 있다.

우주공간을 떠다니는 인공위성. 전자선과 양자선 등 강력한 우주선이 난비(亂飛)하며 사물의 열화(劣化)도 빠르게 진행된다. 이 잔혹한 환경에서 견디기 위해 현재는 화합물 반도체를 사용한 특수 태양전지를 탑재한다. 그러나 개발 현장에서는 예산의 제약 등으로 저가에 사용하기 쉬운 배터리가 요구되고 있다. 여기에서 JAXA가 주목한 것이 바로 페로브스카이트 태양전지이다.

-- 무게 100분의 1 정도 --
이 태양전지는 페로브스카이트라고 하는 결정 구조를 지닌 재료를 사용한다. 일반적인 태양전지에 사용하는 실리콘 등과 같이 빛이 닿으면 전기가 발생한다. 유리나 필름 등의 기판에 페로브스카이트 구조를 가진 재료를 덧칠해, 전극을 붙이면 태양전지가 된다. 제조 공정이 간단하기 때문에 제조 비용은 기존의 위성용 전지의 약 10분의 1로 줄일 수 있을 전망이다.

비용 외에도 장점은 많다. 실리콘은 상당히 딱딱하기 때문에 기존의 태양전지를 구부리려고 하면 부러지고 만다. 이에 반해, 페로브스카이트는 필름 등 부드러운 재료로 만들 수 있기 때문에 두루마리 상태로 말아서 쏘아 올려 우주에서 펼치게 되는 사용 방법도 가능하다.

무게와 두께도 일반적인 지붕에 설치하는 실리콘 형 태양전지에 비해 100분의 1 정도까지 줄일 수 있을 것으로 보고 있다. 발사 시의 중량이 문제가 되는 위성에게 있어서 커다란 이점이 될 수 있다. 또한 우주선에 부딪혀도 쉽게 열화되지 않는다.

페로브스카이트 형 태양전지는 도인요코하마(桐蔭横浜)대학의 미야자카(宮坂)특임 교수 팀이 세계 최초로 개발했다. 미야자카 씨는 노벨상 후보로서도 이름을 올렸다. JAXA가 2017년 우주 이용에 관한 프로젝트를 세우는데 있어 도인요코하마대학 등과 함께 제안해 온 것이 리코였다.

리코가 맡은 것은 모듈화로 불리는 공정. 페로브스카이트 구조를 가진 재료를 기판에 덧칠하는 등으로 태양전지를 완성시킨다. 평상시에는 전기 저항이 적은 요오드액으로 페로브스카이트 구조를 가진 재료의 주위를 채워 전극에 전자를 방출하도록 촉구하는 구조가 된다.
 

그러나, 페로브스카이트는 유기용매에 약해 하루 만에 열화(劣化)되어 발전(發電) 효과가 떨어지고 만다. 또한 액체가 새어나올 가능성이 있기 때문에 취급이 어려우며 안전성에도 문제가 있다.

여기에, 요오드액 대신에 산화티탄 등의 고체 재료를 사용함으로써 페로브스카이트의 열화를 막아 간단히 다룰 수 있는 가능성을 모색했다. 이 부분에 “복사기의 감광제의 재료 기술을 활용했다”고 리코 EH사업센터의 다나카(田中) 소장은 말한다.

감광체는 빛을 비추어 전하를 발생시킴으로써 화상을 만들어낸다. 태양전지와 메커니즘이 닮아 있다. 리코는 이 기술을 활용한 신규사업의 일환으로 ‘색소증감 형’으로 불리는 차세대 태양전지의 개발을 추진해 왔다.

색소증감 형은 LED 등의 실내광에서도 발전(發電)이 가능하다. 리코는 전해질의 첨가제를 연구함으로써 전기 저항을 제어하는 시스템을 개발. 세계 최초로 전고체형의 색소증감 형 태양전지의 개발에 성공했다.

페로브스카이트 형의 개발에 있어서는 구조가 비슷한 색소증감 형으로 쌓아 온 기술을 응용. 열화 속도가 느려져 수 개월간은 발전 효과가 유지될 수 있게 되었다. 향후에는 더욱 수명이 길어지는 것을 목표로 하고 있다.

-- 대면적화(大面積化)가 과제 --
연구는 착실히 추진되고 있으며 그 크기도 처음에는 수 mm 크기였으나, 기판으로의 도포 방법을 재검토 하는 등으로 현재는 수cm 크기까지 만들 수 있게 되었다. 그러나 실질적으로 인공위성에서는 1m 이상인 태양전지를 사용하는 경우가 많다. 개발에 참여한 호리(堀) 시니어 스페셜리스트는 “앞으로는 어떻게 대면적화 해 나갈 지가 과제이다”라고 말한다.

IoT의 보급으로 생산기계 등에 센서를 장착하는 움직임이 확산되는 가운데, 과제가 되고 있는 것이 전원을 확보하는 것이다. 현재는 버튼 전지 등을 사용하고 있으나, 주변의 에너지를 전기로 전환할 수 있는 ‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’의 하나로서 페로브스카이트 형 태양전지가 주목을 받고 있다.

이미 많은 기업 및 연구자가 민생용으로의 연구도 추진하고 있다. 해외에서는 변환 효율이 20%를 넘어선 사례도 있으며, 실리콘 형과 비교해도 손색없을 정도의 수준까지 향상되고 있다고 한다.

리코는 온도 변화가 큰 우주 공간에서도 사용할 수 있을 정도까지 내구성을 향상시킨다면, 향후 민생용으로서 실용화했을 때에도 세일즈 포인트가 될 것으로 보고 있다.

실리콘 형의 태양전지는 과거에 일본기업이 세계 점유율의 상위를 차지했으나, 현재는 대량 생산으로 저가격화를 추진해 온 중국 기업이 시장을 석권하고 있다. 페로브스카이트 형으로 일본 기업이 가장 먼저 실용화하게 된다면, 태양전지 분야에서 과거의 명예를 회복할 수 있을지도 모른다.

 -- 끝 --