일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.9.21

새로운 레이저로 세계를 변모
태양광을 레이저광으로 직접 변환
도쿄공업대학, 다시 한번 세계에 도전

태양광을 여기(勵起) 광원으로 이용하는 고체 레이저 장치는 ‘태양광 여기 레이저(Solar-Pumped Laser: SPL)’로 불리며 세계적으로 뜨거운 개발 경쟁이 펼쳐지고 있다. 태양광으로 직접 물을 분해해 수소(H₂)를 발생시키는 ‘태양광 수소 생성’과 마찬가지로, 향후 연구가 추진된다면 태양광 발전 시스템으로 태양광을 전력으로 변환해 그 전력으로 레이저광을 발생시키는 것보다 높은 가성비를 얻을 가능성이 있다.

-- 태양전지가 필요 없는 우주태양광발전에 이용 --
상정되고 있는 용도는 예를 들면, (1)태양전지를 사용하지 않는 우주태양광발전(Space Solar Power Systems: SSPS)에 있어 지구로의 에너지 송출 시 이용 (2)달 표면에서의 이용 (3)마그네슘(Mg)을 에너지 캐리어로 하는 이른바 '마그네슘 순환형 사회'를 지원하는 용도 등이다.

(1)의 SSPS에서는 매우 비싼 화합물 반도체 기반의 태양전지 대신 저렴한 거울 등으로 집광하고, 그것을 레이저광으로 변환해 지구에 에너지를 전달함으로써 코스트를 대폭 낮출 수 있다.

(2)는 향후 달 표면에서 거의 무인으로 가동되는 공장을 건설할 계획이 복수 추진되고 있는 가운데, 그 제조 라인에서의 레이저 가공에 이용되는 레이저광을 태양광으로부터 직접 만들어낼 수 있게 된다면, 달 표면에서의 귀중한 전력을 다른 용도로 활용할 수 있다.

(3)의 마그네슘 순환형 사회는 해수 유래의 마그네슘을 연료로 사용하고, 그 재(산화마그네슘, MgO)를 태양광 유래 레이저광으로 환원해 마그네슘으로 되돌려 재이용함으로써 실현되는 이산화탄소 프리 사회를 말한다. 도쿄공업대학의 야베(矢部) 명예 교수 등이 추진하고 있다.

-- 약 40년 만에 변환 효율 향상 --
최초로 SPL 장치가 개발된 것은 레이저 장치가 처음 개발된 1960년에서 불과 6년 뒤인 1966년. 그러나 실제로 개발된 시스템은 변환 효율이 매우 낮아 2000년대 중반까지 약 40년간 변환 효율이 1%에도 미치지 못했다.

그 벽을 깬 것이 도쿄공업대학의 야베 교수와 현재 도쿄공과대학 공학부 기계공학과 조교로 있는 오쿠보(大久保) 씨가 이끄는 도쿄공업대학 연구그룹이었다. 2007년에 변환 효율을 약 2배 이상인 1.9%로 개선. 2012년에는 3%까지 향상시켰다. 레이저광 출력 자체는 120W로, 판금 가공이 가능한 수준까지 높아졌다.

개선된 포인트는 크게 3가지이다. 하나는, 집광용 광학계로 그전까지 반사경 베이스였던 것을 프레넬렌즈(Fresnel Lens) 베이스로 전환함으로써 시스템이 대폭 경량화되었다.

두 번째는 솔라 캐비티라고 부르는, 일반적인 레이저 장치의 공진기에 상당하는 용기의 내부 형상을 변경한 점. 당초의 원뿔형에서는 레이저 매질의 일부에 빛이 집중되어 국소적으로 온도가 상승해 용기가 깨져 버리는 등의 과제가 있었다. 이를 해결하기 위해 솔라 캐비티의 내부 형상을 변경해 열의 분포가 균일하도록 했다.

세 번째는 솔라 캐비티 내부를 물로 냉각할 때 레이저 매질 주위만 냉각되도록 한 점. 이를 통해 수냉용 층이 레이저 매질에 대해 렌즈처럼 기능하여 레이저 매질의 실질적인 ‘단면적’이 증가했다고 한다.

-- 해외 연구팀이 변환 효율 4% 이상을 실현 --
하지만 2013년 이후, 주요 멤버(오쿠보 조교)의 이동 등으로 인해 잠시 연구가 중단된 사이 해외 연구팀들이 도쿄공업대학의 성과를 앞지르는 결과를 속속 내놓기 시작했다.

예를 들어 2021년에는 포르투갈의 NOVA University of Lisbon 연구팀이 변환 효율 4.5%, 프레넬렌즈의 단위면적당 출력(영역효율) 38.2W/m², 출력 11.2W라는 연구 성과를 발표했고, 2023년에는 중국 베이징이공대학(Beijing Institute of Technology) 연구팀이 영역효율 38.3W/m², 출력 26.93W의 SPL을 개발했다.

두 연구팀의 공통점은 레이저 매질로 네오디뮴(Nd)을 첨가한 YAG(Nd: YAG)가 아니라 세륨(Ce)도 함께 첨가한 Ce/Nd: YAG를 이용했다는 점이다. “세륨은 자외선을 흡수해 태양광의 이용률을 높이는 효과가 있다”(오쿠보 조교).

현재 오쿠보 조교는 Nd: YAG 세라믹스에 세륨이 아닌 크로뮴(Cr)을 첨가해 반격을 시도하고 있다. 크로뮴을 미량 첨가하면 청색광이나 적색광의 이용률이 높아지기 때문이다.

하지만, 크로뮴이라고 해도 가포화흡수체로써 Q 스위칭에 이용하는 Cr⁴⁺가 아니라, Cr³⁺이다. 이 경우, “가포화흡수체로서의 기능은 없어 레이저의 발진 파장인 1,064nm의 흡수는 거의 제로”(오쿠보 조교)라고 한다.

-- 실용화는 레이저 매질이 좌우 --
해외 연구팀과의 변환 효율 경쟁과는 별도로 SPL 실용화 여부는 태양광발전과 수전해장치의 조합에서 높은 가성비를 실현할 수 있는지가 관건이다.

오쿠보 조교는 레이저 매질에 어떠한 돌파구가 필요하다고 말한다. 현재는 태양광 가운데 레이저 매질에 흡수되지 않는 파장의 빛이 너무 많다. 만일 태양광 가운데 파장이 1,064nm보다 짧은 빛을 모두 이용할 수 있는 이상적인 레이저 매질이 개발된다면 변환 효율은 이론상 40%가 된다고 한다.

또한 SPL의 제조 비용을 좌우하는 레이저 매질의 코스트도 중요하다. 현시점에서, 직경 9mm~10mm, 길이 약 10cm 전후의 레이저 매질은 1개에 100만 엔 가까이로, “떨어뜨려 깨지면 큰일이다”(오쿠보 조교). 크로뮴을 첨가할 경우 코스트는 더 비싸진다고 한다. 이 때문에 양산하면 제조 비용이 크게 낮아질 수 있는 재료로 이루어진 레이저 매질을 선택하는 것도 필요할 것이다.

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