SMARTFLEX 프로젝트는 건축가들이에게 경제적이면서 매우 혁신적인 방법으로 건물 외부 디자인에 태양전지판을 통합할 수 있는 기회를 제공할 것으로 기대된다. EU SMARTFLEX 프로젝트는 태양발전에 대해 증가하는 수요를 건축학적으로 충족할 수 있는 해결방안을 제시하고 있다. 프로젝트는 특정한 모양이나 색을 가진 태양전지판을 제조하기 위한 생산라인을 최근 완료하였다. 이러한 기술은 건물에 적합하면서 경제적으로 태양발전을 활용할 수 있는 기회를 제공한다. 이들 전지판은 건축가와 엔지니어의 기술적 수요를 만족하도록 설계될 예정이다. 그리고 어떠한 건축물 설계에도 쉽고 안정적으로 통합될 수 있다. SMARTFLEX 프로젝트는 2016년 완료를 목표로 이러한 공정을 개발하고 있다. 이 시스템은 건축학적 수요를 충족시키고, 설계 및 크기로부터 색, 모양, 소재까지 다양한 범위를 다룰 수 있다.

리투아니아 빌뉴스(Vilnius)에 위치한 설비는 50 MW의 전기를 생산할 수 있는 능력을 보유하고 있으며, 100% 재생가능 에너지를 동력으로 이용한다. 그리고 결정질 태양광발전 모듈이 긴 수명을 가질 수 있도록 열적 밀봉(Thermo Sealing)과 같은 혁신적인 생산방법이 적용되었다. PV 셀 및 모듈 생산라인을 건설하기 위해 투입된 비용은 총 37 백만 유로이다.

태양광발전(Photovoltaics)은 반도체 물질을 사용하여 태양광을 전기로 변환한다. 태양광발전 시스템은 다수의 태양전지로 이루어진 태양전지판(Solar Panel)을 사용한다. 이 기술은 유럽의 재생가능 에너지 목표에 도달하기 위한 방안으로 건물 설계에 연계되는 일이 점차 증가하고 있다. 태양광발전 셀과 모듈은 건축물 구조의 일부가 될 수 있다. 이는 건물이 완성된 후 적용하는 것보다 일반 건축의 재료로 대체할 수 있음을 의미하는 것이다. 이와 관련하여 SMARTFLEX는 중요한 이정표라 할 수 있다. 이 프로젝트가 완료되면 건축가들은 프로젝트를 통해 개발된 직관적인 기획 소프트웨어를 사용하여 모듈의 형태나 색이 특정한 건물에 부합할 수 있도록 설계할 수 있다. 설계가 끝나면 이 정보는 생산라인으로 보내진다. 이전까지 건축가들은 건물에 태양발전을 도입하는데 있어 설계 후 거의 실현되기 어렵거나 너무 높은 비용이 필요하다는 문제가 있었다. 그렇지만 새롭고 간단한 과정을 통해 건축가들에게 많은 호응을 끌어낼 것으로 보인다.

프로젝트는 태양광발전 건물 요소를 리투아니아의 프로젝트 테스트 건물에 설치한 후 이를 모니터링하고 있다. 100~150여 개의 다른 크기의 모듈을 사용하였으며, 태양발전과 관련된 외관의 면적은 약 200 m²에 달한다. 이 건물은 2015년 말까지 그리드에 연결될 예정이다.

태양발전의 미래는 밝다. 태양발전은 2030년 EU 전기 수요의 15%이상을 차지할 것으로 예상된다. 그리고 현재 시장 동향에 따르면 태양광발전은 2020년까지 EU 전기 수요의 7%를 충족할 것으로 전망되었다. 또한 태양광발전 모듈은 재활용되거나 관련 소재가 재사용될 수 있다. SMARTFLEX는 경제적이면서 설계에 민감한 방식으로 BIPV(Building-integrated Photovoltaics)를 구현할 수 있음을 보여주는 단계에 있다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

열전소재는 열을 전기로 변화시키거나 전기를 열로 변화시킬 수 있다. 이러한 열전소재는 기존의 가열 및 냉각 시스템을 뛰어넘는 많은 장점들을 가지고 있다.

최근 칼텍공과학대학(California Institute of Technology, Caltech) 연구진은 특정 열전소재가 몇 종류의 고상을 결합하면 그 특성이 향상될 수 있다는 것을 발표했다. 새로운 복합 열전소재의 단면 모양은 소시지의 슬라이드 안에 고기와 지방이 혼재되어 있는 것과 같은 모양이다. 이러한 기법으로 열전소재의 에너지변환 효율은 크게 향상될 수 있다는 것이 확인되었다. 그러나 과학자들은 이러한 고상의 조합으로 인해서 발생하는 에너지 변환 효율성의 상승에 대한 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀내지 못하고 있다.

연구진은 두세개의 고상을 가진 열전소재의 전기적 특성을 분석할 수 있는 새로운 기술을 개발하는 데 성공했다. 새로운 기술은 여러 상을 가진 열전소재의 특성을 이해하는 데 도움을 줄 수 있으며 최적의 특성을 가진 새로운 물질을 설계하는 데에 도움이 될 것으로 기대된다.

여러 상을 가진 물질에서 각각의 상의 특성을 분리하여 이를 직접적으로 측정하는 것은 매우 어렵다. 칼텍 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해서 각각의 상의 전기적 특성을 계산하는 새로운 방법을 개발했다. 지금까지는 복합 소재에 대한 실험적인 방법 밖에 없었다. “이는 초코칩 쿠키를 한꺼번에 물어서 초코와 쿠키의 맛을 별도로 평가할 수 없는 것과 같다.”고 칼텍공과대학의 Jeff Snyder 박사는 설명했다.

“기존의 이론은 개개의 상을 기반으로 벌크 복합체의 특성을 예측하는 방식으로 이루어진다. 반면에 이번 기술은 벌크 복합체를 선택해서 구성하는 각각의 상을 분석하는 방식”이라고 연구진은 설명했다. 연구진은 각각의 상에 자기장을 가해서 자기장의 강도에 따른 전기적 특성을 평가하였다. 이를 통해서 서로 다른 두 상의 영향을 분리하였다.

연구진은 이번에 개발된 측정 기술을 이용하여 Cu1.97Ag0.03Se 열전소재 특성을 평가했다. Cu1.97Ag0.03Se는 Cu2Se가 주 결정을 이루고 CuAgSe가 불순물 결정을 이룬다. 열전물질은 현재 틈새 응용 분야에 활용되고 있다. 자동차시트, 와인쿨러, 온도에 민감한 의료장비를 보관하는 의료용 냉각기 등에 활용되고 있다.

기존의 압축기를 기반으로 하는 냉각시스템은 열전소자에 비해 3배 이상 에너지를 소비한다. 이론적인 계산에 의하면 적절한 물질의 조합으로 인해서 열전소자의 에너지 변화 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이번 계산법은 새로운 열전물질 설계에 큰 도움이 될 것이라고 연구진은 설명했다.

다중 상을 가진 열전소재의 성능은 마이크로 또는 나노 크기의 구조체에서 형성되는 양자효과에 의한 것이라고 연구진은 설명했다. 이번 연구는 Applied Physics Letters에 "Determining conductivity and mobility values of individual components in multiphase composite Cu1.97Ag0.03Se"라는 제목으로 게재되었다.

그림. 여러 상을 가진 열전 소재 Cu(1.97)Ag(0.03)Se, 주 결정구조는 Cu(2)Se이고 불순물은 CuAgSe 결정 구조로 이루어져 있다. 전자현미경 사진에는 불순물 상이 밝게 빛나고 있다. 결정 내의 공공은 검은 점으로 나타나고 있다.

그림. 칼텍 연구진은 복합체 내의 각각의 상에 대한 전기적 특성을 계산하기 위한 간단한 소자를 개발했다.   

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』            

NIST 과학자들이 첨단 고온 초전도체와 고효율 태양광 전지 등을 포함하여, 고대하던 장비와 물질의 실현을 가속할 수 있는 기술을 선보였다. 새로운 고해상도 X-선 분광계는 서반구에서 가장 밝은 싱크로트론 X-선 빔을 생성하는 대규모 설비인 고급 광자원(Advanced Photon Source, APS)에 설치되었다. 고에너지 방사선을 방출하는 싱크로트론에 의해 생성되는 전자는 저장 링을 궤도하면서, X-선 빔을 사용하여, 특정한 유형의 물질을 관찰한다. 표본은 빔 라인에 배치되고, 검출기는 표본에 산란하거나, 그것을 통과하는 X-선 광자를 기록한다. 여기서 나온 데이터는 화학의 미묘한 측면이나 구조, 그리고 심지어는 물질의 전기 역학까지 드러내면서 잠재적 개발자에게는 중요한 정보를 제공한다. “기존의 기술이 가진 주요한 문제 중 하나는 검출기 효율성이 일반적으로 5~10% 범위라는 것이다. 즉, 약 90%의 광자를 그냥 지나쳐 버린다는 의미이다. 또한, 그들은 약한 입체각 범위를 가지는 경향이 있다. X-선 빔은 공간적으로 광범위하며, 만약 당신이 작은 검출기를 배치하면, 시스템을 효율적으로 활용할 수 없다”고 물리 측정 연구소의 양자 전기 및 포토닉스 부서의 Daniel Swetz가 말했다.

따라서 Swetz와 Joel Ullom, 그리고 NIST 연구진은 새로운 차세대 상전이 센서(transition edge sensors, TESs)를 설계하고 제작하였다. 이 장비는 거의 100%의 X-선 광자를 검출하며, 물질 연구를 위한 주요 에너지 범위에서 광자 간의 에너지 차이를 결정할 수 있다. 이러한 능력은 현재의 최첨단 검출기보다 50배나 더 우수하며, 다른 유형의 분광계로는 쉽게 측정할 수 없는 전자나 화학적 구조에 관한 고도의 상세한 정보를 제공한다. 광학 물리나 천문학 분야에서 매우 유용하면서도, 익숙한 기술인 TES 검출기는 금속 박막을 거의 절대 영도에 가깝게 냉각한다. 이것은 막을 초전도와 정상적 상태 간의 모서리에 놓이게 한다. 이 막은 높은 광자 저지능을 가지며, 물질 흡수체 밑에 배치된다. 입사 광자가 그것의 에너지를 흡수체에서 증착하면, 열은 TES 막의 온도를 초전도 임계 온도 이상으로 올리며, 그것의 저항은 증가한다. 그 결과 나오는 전기 신호는 광자 에너지에 비례하게 된다.

고해상도 X-선 TES 검출기는 UIIom과 동료의 초기 연구 이후, 약 15년 동안 사용됐다. 이것은 현재 상태에 이르기까지 많은 기술적 혁신을 더해갔다. 초당 수백의 계수율로 다중 고에너지 X-선을 기록하기 위해서는, 물질이 시간이 지나도 안정되어야 하고, 다수의 광자를 흡수해야 한다. 또한, 공간적으로 균일하며, 매우 좁은 임계 전이 범위를 가져야 한다. 그 결과, TES 검출기는 약 0.1 mm2 로서, 무려 그들 중 240개가 배열에 배치되었으며, 현재 23 mm2의 집열 면적을 제공한다. 현재의 NIST TES 검출기는 100mK에서 작동하도록 설계되었으며, 300nm 두께의 몰리브덴 및 구리의 초전도 이 중층을 사용한다. 이러한 장비는 콜로라도 볼더에 있는 최첨단 NIST 미세제조 설비에서 제작된다. 또한, NIST 연구진은 센서 내에 충분한 동적 범위가 있음을 확인했으며, 이는 X-선 광자의 고에너지로 과부하가 되지 않게 한다. 연구진은 X-선 흡수체의 역할을 위하여, 매우 얇은 비스무트층을 이 센서의 상단에 배치함으로써, 흡수 속성을 조정하는 방법을 고안했다.

2012년, 최초의 NIST TES X-선 분광계가 Randy Doriese와 기타 NIST 과학자들에 의해 미국 브룩헤븐 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원(National Synchrotron Light Source, NSLS)에 설치되었다. 이 첫 번째 장비의 성공은 NIST와 일리노이 대학, 아르곤 국립 연구소와의 협업을 이끌었고, 이들은 APS에 개발 중인 새로운 빔 라인을 위한 두 번째 TES 분광계를 구축했다. 이 두 번째 장비는 올해 가을 설치되었으며, 현재 과학 캠페인이 진행 중이다. NSLS에서, TES 설치는 입체각 범위와 효율성을 극적으로 향상시켰다. “재료 과학 측정에서 이 도구는 특별히 중요하다. 왜냐하면, 표본의 도펀트 양이 당신이 보고자 하는 광자의 수에 영향을 끼치기 때문이다. 높은 효율성으로, 당신은 좀 더 희석된 표본을 관찰할 수 있다. 그리고 물론, 만약 이것이 100배의 집적 효율성을 가진다면, 당신은 100배 더 빠른 측정을 할 수 있을 것”이라고 Swetz가 말했다.

고강도 APS에서의 목표는 다소 다르다. “밝은 빔 라인에서, 효율성은 확실히 바람직하다. 하지만 당신이 정말 필요한 것은 신호와 배경을 분리하는 능력이다. 이 검출기의 장점 중 하나는 다른 모든 광자로부터 에너지를 구별할 수 있으며, 이는 우리가 측정에서 대부분의 노이즈를 제거할 수 있는 원인”이라고 Swetz가 말했다. NIST TES 시스템은 또한 X-선 분광계에서 시간 분해 측정이라는 또 다른 중요한 역할을 한다. “사람들은 차세대 광전지와 같이, 전하가 물질을 이동하는 방식에 대한 역학을 이해하고자 한다. 그러나 우리는 왜 그들의 변환 효율이 그렇게 낮은지를 이해하지 못한다. 만약 당신이 정적 측정만을 가지고 있다면, 어디에 에너지가 손실되는지 알지 못할 것이다. 그러나 만약 당신이 충분히 민감한 검출기를 가지고 있다면, 당신은 표본을 시간 안에 검사할 수 있다. 당신이 빛을 이용하여, 감광성 물질을 여기하면, 전자는 이동하기 시작한다. 그리고 그것을 여러 시간 단계로 X-선에 부딪히게 한다. 그렇게 함으로써, 당신은 전하가 어디로 가는지, 왜 그것이 손실되는지를 이해할 수 있을 것이다. 그리고 아마도 당신은 광전지의 변환 효율을 강화하기 위하여, 물질을 재설계할 수 있을 것”이라고 Swetz가 말했다. 이러한 새로운 시스템의 성공으로, NIST는 싱크로트론과 다른 X-선 물질 분석 설비에 있는 고해상도 X-선 분광계의 수요 증가를 기대하고 있다고 프로젝트를 이끌고 있는 UIIom이 말했다. ”X-선은 물질 분석을 위한 가장 강력한 도구 중 하나이다. 그리고 고도로 효율적인 X-선 검출기는 대규모의 밝은 X-선 소스를 구축하는 것보다 훨씬 더 비용 효율적”이라고 그는 말했다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

칼스루헤 공과대학교 과학자들이 세계 최초로 분당 100m까지 3배 이상 일괄처리 제조방식으로 전극 호일 코팅 제조 속도를 향상시키는데 성공했다. 이것은 높은 정밀도와 빠른 속도로 어떠한 패턴에 대한 생산도 가능케 하는 플렉시블한 슬롯 다이 프로세스에 의해 가능했다. 특허를 받은 새로운 기술 덕분에, 전극 호일 생산속도는 3배까지 향상되었다. 결과적으로, 리튬-이온 축전지는 더 낮은 가격으로 제작이 가능하다.

리튬-이온 축전지는 에너지 시스템의 변환을 위해 중요하다. 이 축전지는 전기자동차의 운행이나 변동이 많은 재생에너지로부터의 전기 저장에 필요하다. 그런데, 높은 비용이 여전히 중요한 도전으로 기술경쟁력을 갖추기 위해서는 이것과 경쟁해야 한다. 3년간의 연구 이후에, 칼스루헤 공과대학교 열 프로세스 엔지니어링 연구소(Institute of Thermal Process Engineering)의 박막필름 기술 그룹의 빌헬름 샤벨(Wilhelm Schabel) 교수와 필립 샤퍼(Philip Scharfer) 박사가 지도하는 연구팀이 실제 에너지 저장시스템인 전극 호일의 단속 생산을 분당 100mm까지 향상시키는데 성공했다. 지금까지, 부당 25~35m 정도가 산업계의 가장 최신 기술이었다. 프로젝트 [Competence E] 내에서, 과학자들은 혁신적인 코팅 기술개발에 성공했는데, 이것은 연속 코팅 생산에 사용가능할 뿐 아니라 고정밀도의 패턴 특성에도 적용가능하다. 이 발명은 특허가 제출되었다.

전극 호일을 생산할 때, 활성 물질, 카본 블랙, 바인더, 솔벤트 그리고 첨가제를 포함한 슬러리가 애노드 재질인 구리나 캐소드 재질인 알루미늄으로 제작된 기질 호일에 적용된다. 코팅은 종종 연속적으로 프로세싱되지만, 단속 코팅은 다음 단계의 프로세스를 위한 우수한 프로세스 능력과 관련이 있다. "단속 코팅의 경우, 코팅 속도와 무관하게 미리 정의된 출발과 정지 가장자리가 필요하다. 우리가 개발한 프로세스에서는, 이것이 슬롯 다이와 같은 코팅 헤드에서 제어된 방식으로 앞뒤로 신속하게 움직이는 멤브레인에 의해 이루어진다."라고 샤벨( Schabel) 교수는 설명했다. 다른 이동 부품은 불필요하다. 이것은 분당 1,000개까지의 전극 패턴 정도 되는 높은 주기와 높은 정밀도의 코팅을 가능케 한다. 멤버레인 파라메타의 최적화를 통해, 이 프로세스는 코팅 매개체의 특성에 잇는 그대로 적용될 수 있다. 독일 엔지니어링 협회(VDMA, German Engineering Association)는 그들의 축전지 생산 로드맵(Roadmap for Battery Production)에서 2030년까지 분당 100m의 코팅 속도 도달이 목표라고 밝힌 바 있다. 이 목표는 오늘 칼스루헤 대학교의 연구결과에 의해 돌파된 것이다.

이 신기술을 통해, 전극 생산은 같은 투자비용으로 3배 정도 향상될 수 있다. 결과적으로, 리튬-이온 축전지의 생산비용은 엄청나게 절감이 가능하다. 비슷한 프로세스를 사용하여, 이 대학교 과학자들은 이미 파일럿 규모에서 전기자동차용 전극 생산에 이미 성공했다. 칼스루헤 공과대학교 [Competence E] 프로젝트 책임자인 안드레이 굳쉬(Andreas Gutsch) 박사는 다음과 같이 지적했다. "나선형으로 감긴 리튬-이온 축전지의 생산을 위해 칼스루헤 공과대학교에서 개발되고 특허를 가진 헬릭스 기술(helix technology)과 결합된 새로운 코팅 기술은 비용분야의 리더십에 도달할 가능성을 제공한다."               

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』