일본 R편의점은 2014년 11월 12일에 아이치현(愛知?)에 새로운 점포를 개점하였다. 최대 특징은 전기사용량이 2010년 대비 약 60% 저감할 수 있다는 것이다. 이것은 이 회사 점포로서는 최대 저감률이다. 최신 에너지절약 기술을 많이 도입한 환경배려형 실험 점포를 2008년부터 각 지역에서 전개하고 있다. 이번이 7번째 점포이다.

이번 새로운 점포에 대한 설비 투자액은 통상적인 점포와 비교하여 약 2배이다. 이것은 15종류의 에너지 관련 기술을 도입하고 있기 때문이다. 앞으로 새로운 점포를 운영하여 효과가 크다는 것을 알게 된 기술을 기존 점포에 적용해 나갈 것이다.

새로운 점포 내에 배치된 에너지관련 기술은 크게 세 종류로 건물의 단열, 차열성능 향상, 자연에너지의 활용, 기기 성능의 향상이다. 도입한 15개 종류의 기술 중 가장 효과가 높은 것이 두 가지이다. “CO2 냉매 냉장케이스(기술12)”와 “LED조명(기술14)”이다. CO2 냉매 냉장케이스는 냉매에 프레온이 아닌 이산화탄소를 이용한 기기이다. 2013년에 세운 환경배려형의 실험점포에서도 효과를 발휘한 기술이다. 문이 있는 쇼케이스로 하여 냉기가 빠지는 것을 방지하는 등 효율 향상 대책을 강구하였다.

LED조명의 경우, “점포의 조명은 같은 경우가 많다. 이번 새로운 점포에서는 센서를 이용하여(직관형 LED) 조광하기 위하여 예를 들면 일광이 들어가기 쉬운 점포의 입구쪽의 밝기를 억제하는 것이 쉽다. 기후(일조)의 변화에 따라 제어할 수 있다. 건물의 단열, 차열성능 향상에 도움이 되는 기술은 다섯 가지이다. 이 중 점포 전면유리의 이중화(더블스캔)(기술1)는 특별한 구조를 채택한다. 점포 입구측에 페어유리 프론트 새시를 갖추어 이중으로 하였다. 그 사이 점포 내에 따뜻해진(또는 차가워진) 공기를 통과하므로 단열성을 보다 높였다.

“텐트에 의한 외벽면의 이중화(기술2)”는 점포의 남쪽 외벽에 실시된다. 외벽의 외측에 백색의 텐트를 침으로써 직사일광을 차단하는 구조이다. 점포 내로의 열 침입을 방지하는 효과가 있다. 이 외에 태양전지 모듈의 설치에 의한 지붕의 이중화(기술3)와 벽면녹화(기술4), 단열성능의 향상(기술5) 등을 도입하였다. 기술5는 외벽과 지붕에 이용하는 단열재의 양을 늘린 형태이다.

자연에너지 이용에서는 6개 종류의 기술을 채용하였다. 우선은 “태양광 발전시스템과 축전지(기술11)”이다. 태양광 발전시스템과 축전지시스템을 협조 동작시킨다. 태양광발전에서는 지붕 위에 17kW의 태양전지 모듈을 수평으로 배치하였다. 축전지의 용량은 9.9kWh이다. 이것은 프리우스 10대분의 축전지이다. 이번에 유통산업에서는 처음으로 도요타 터빈 앤드 시스템이 취급하고 있는 축전지 “프리우스 리유스 배터리”를 채용하였다.

지중열의 이용도 중시하였다. 우선은 “지중열을 이용한 공조기(기술7)”이다. 연간을 통하여 거의 17도로 유지되는 지중에 공조기의 냉매를 통하여 동기, 하기동안 공조비용을 저감한다. “축열식 방사 패널(기술8)”은 기술7과 동일하게 구조를 사용한다. 축열재가 있는 패널에 지중열을 흡수한 냉매를 흐르게 함으로써 패널에서 열을 방사할 수 있다. “어스튜브(기술9)”도 지중열을 사용하나, 이상 2개의 기술과는 독립된다. 점포 외의 공기를 도입할 때 지중의 배관(어스튜브)을 경유시켜, 온도를 올려(내려) 그것을 데시캔트 공조기(기술13)에 통과시킨다.

환기에 필요한 에너지를 0에 가깝게 하는 기술도 두 가지 있다. “자연환기 공조시스템(기술6)”에서는 입구 앞의 창문과 뒤쪽의 창문을 연동하여 개폐함으로써 자연풍을 적극적으로 도입한다. “인공지능제어(EMS)(기술15)”가 각 장소에 배치한 센서로부터 점포 내외의 환경정보를 수집하여 자동적으로 창문을 개폐한다.

다른 하나는 “중력환기시스템(기술10)”이다. 점포의 마크를 게양하는 기둥의 내부에 환기용의 배관을 통과시킨다. 그러면 기둥 내부의 온도차와 고저차에 의한 압력차로 전력을 사용하지 않고 세면소로부터 환기할 수 있는 구조이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

가장 널리 이용되고 있는 벌크 이종접합 구조에서 이런 형태(morphology)를 달성하는 것은 불가능하였으며, 무분별하게 분포된 상들이 상당한 전하 재조합(charge recombination)을 유발하기 때문이다.

텍사스대학(UT Dallas) 물리학 교수인 Anvar Zakhidov 및 전기공학과 부교수인 Walter Hu가 주도한 연구에서, 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)가 이런 문제점들을 동시에 해결해 줄 수 있는 효과적인 방법이라고 소개하고 있다.

ACS Applied Materials & Interfaces ("Efficient Low Bandgap Polymer Solar Cell with Ordered Heterojunction Defined by Nanoimprint Lithography")에 게재한 논문을 통해, 연구팀은 나노임프린트 리소그래피를 활용해 제조한 low bandgap 고분자 태양전지의 효율이 5.5% 정도라고 소개하였다. Low bandgap 고분자가 이런 종류의 태양전지에서 주류가 될 것임을 고려할 때, 이 기술은 더 많은 곳에서 활용될 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

이전의 연구("How nanostructure geometry affects polymer photovoltaic device efficiency")에서, 연구팀은 나노임프린트된 P3HT 태양전지에 집중하였다. 나노구조를 신중하게 최적화한 후에 달성한 효율은 3~4%로, 이 고분자로 다른 연구팀이 달성한 4% 이상의 효율만큼 높지 않았었다.

새로운 연구에서는 low bandgap 고분자 태양전지로까지 범위를 확대하였으며 5.5%의 효율을 달성하였다. 이는 문헌에 보고된 이런 종류의 고분자 중 최고의 효율 중 하나이다. 즉, 나노임프린트 제조법이 low bandgap 고분자 태양전지에 적합한 방법임을 시사하는 것이다.

연구팀은 잘 정렬된 이종접합(heterojunction)을 가진 효율적인 low bandgap 고분자 태양전지를 제조하기 위해 나노임프린트 리소그래피의 타당성을 시연해 보였다. 처음으로 이 기술을 사용하여 고품질의 low bandgap 공액고분자(PCPDTBT) 나노격자(nanograting)를 제조하였다. 나노임프린트 리소그래피는 PCPDTBT 체인의 상호작용을 증가시켜 더 구조적으로 정렬되도록 한다. 최고의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 PCPDTBT 나노구조로 만들어진 태양전지는, 5.5%의 높은 전력전환효율을 보여주었다. 이것은 가장 효율적인 나노임프린트된 고분자 태양전지일 뿐만 아니라, 동일한 재료를 이용해 가장 높은 효율을 나타낸 태양전지로 보고되었다.

나노임프린트 리소그래피는 고분자 태양전지에서 나노형태(nanomorphology)를 정교하게 조절하기 위한 효과적인 제조기술이다. 체인의 배열 조절과 복연속성(bicontinuous) 및 맞물린 이종접합 형태는, 공액고분자를 임프린트하여 제조할 수 있다. 나노임프린티는 체인의 정렬을 유도하고 이 고분자 나노구조 내로 풀러렌(fullerene)이 스며들도록 한다.

그러나 지금까지의 대부분의 연구는 나노임프린트된 P3HT/fullerene 태양전지에 집중되어 있었다. 이 재료의 조합은 P3HT의 흡수 및 태양 스펙트럼의 불일치로 인해 그리 이상적이지 못하다. 태양 스펙트럼에서 최대 광속(photon flux)은 1.6~1.8 eV에서 나타나지만, P3HT는 상대적으로 큰 밴드갭인 1.9~2.0 eV에서 나타난다. 고분자-풀러렌 태양전지에 이상적인 밴드갭은 1.3~1.5 eV 정도로 여겨지고 있다고 Yang은 설명하였다.

최근 많은 low bandgap 고분자들이 합성되어 최고 효율을 경신하고 있다. 그러나 이런 고분자들의 도너/억셉터 상 분리는, P3HT/fullerene 태양전지에서 보통 사용하고 있는 열 혹은 용매 증기 어닐링(solvent vapor annealing)을 통해 달성될 수 없다.

비록 1,8-octanedithiol과 같은 첨가물이 용액에 첨가되어 도너 및 억셉터 도메인을 분리하는데 도움이 되도록 하지만, 이런 분리는 정교하게 조절할 수 없다. 따라서 나노임프린트 리소그래피는 정렬된 활성층 형태가 형성되도록 하는 효과적인 해법을 제공해 주고 있다. 그러나 지금까지 나노임프린트 리소그래피가 고분자 태양전지 분야의 다양한 재료에 적용할 수 있다고 보고된 연구결과는 없었다.

이에 텍사스대학 연구팀은 나노임프린티 리소그래피를 활용해 low bandgap(1.4eV) 태양전지 고분자 PCPDTBT를 패터닝하였다. 이 기술을 이용해 고품질 나노격자를 제조하였으며, 나노격자 기하학적 구조를 최적화한 후에, 연구팀은 태양전지의 효율 5.5%를 달성할 수 있었다.

게다가 본 연구를 통해 나노임플린트 리소그래피가 가장 널리 연구된 고분자인 P3HT로 만들어진 태양전지에만 국한된 것이 아니라, 고분자 태양전지 제조에 이용되는 다양한 물질에 활용될 수 있음을 보여주고 있다. 상당한 노력에도 불구하고, 나노임프린트된 P3HT 태양전지의 최고 전력전환효율은 3~4% 범위에 머무르고 있다. 이 값은 동일한 고분자로 벌크 이종접합 구조로 사용할 때의 최대값인 4∼5% 보다 낮은 수치이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』