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[연재] 붉은 태양 에너지 머금는 푸른 태양전지의 희망 Tue Apr 19, 2011 4:20 pm
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BY [You must be registered and logged in to see this link.] l 2011.02.21
아줌마들의 과학 수다 (27)
내가 쓰는 컴퓨터의 에너지원으로 태양을 생각하기에는 아직 무언가 어색하고 마뜩하지 않다. 어디서든 내가 필요할 때 내 마음대로 조절할 수 없어서 그렇고, 태양을 하나의 물체나 원소들의 집합으로 보기에는 다른 무엇인가가 있어야 할 듯싶어서 그렇다. 사람들은 태양의 빛과 열을 받으며 낮과 밤을, 사계절을 구분하고 살지만, 한편에서는 그 태양의 빛과 열을 전기에너지로 바꿔 공해 없는 삶을 만들려는 사람들의 노력도 이어지고 있다.태양이라는 거대한 존재를 생명을 키우는 낮과 밤 그리고 계절의 시간으로 보지 않고 우리가 쓸 수 있는 에너지로 바라보는 사람들의 생각과 기술을 이야기해 보자. /수다꾼: 박문영, 신지원, 이인숙, 최동수 (정리: 이인숙)[You must be registered and logged in to see this image.]
태양광 발전 설비. 한겨레 자료사진
일상의 풍경이 되는 짙푸른 사각패널들
[You must be registered and logged in to see this image.]인숙: 한강의 동호대교를 건너다보면 19인치 컴퓨터 모니터보다 조금 더 큰 짙푸른색 사각패널들을 보게 돼요. 규칙적으로 늘어서 있어 눈에 잘 띄지요. 생각해 보면 비슷한 패널들을 산책로의 해바라기시계 옆에서도, 버스정류장 지붕에서도, 본 기억이 나요. 무엇인지, 어디에 쓰는 것인지 정확하게 알지 못한 채 무심코 지나쳤는데 ‘지속가능한 녹색성장’ 얘기를 듣다보니 그것이 바로 태양전지 모듈(태양전지가 2개 내지 100개 연결된 것을 모듈이라 한대요)임을 알겠더라고요.
지원: 맞아요. 기후변화로 인해 지구온난화의 심각성이 빨리 움직이려는 사람들의 발목을 잡다보니, 탄소 배출과 자원 고갈 염려 없는 재생에너지를 다시보기 시작했어요. 태양과 바람과 파도가 관심 대상이 되고, 그래서 그것들을 이용해 전자의 흐름을 적절히 조절하는 전기에너지로 사용하려는 거지요. 지금의 생활 방식을 그대로 유지하면서 에너지원만 화석에서 다른 것으로 바꾸려는 거고요. 그야말로 지금 에너지 사용 방법이 최선입니까? 확실해요? 이제는 기존의 에너지 사용 방법에 대해 이렇게 물어 봐야하는 상황이에요.
문영: 이산화탄소 감축을 논의하면서 여러 나라들이 태양광 발전소 건설을 서두르게 되었어요. 대표적인 나라로는 독일과 일본과 미국을 들 수 있지요. 태양광 발전의 선두주자는 독일이었는데 중국이 관심을 기울이면서 태양광 발전으로 얻는 독일의 수익이 많이 줄어들고 있다는 뉴스를 들었어요. 세계 경제의 많은 부분을 중국이 차지해 가고 있는 것 같아 귀를 쫑긋하게 하는 뉴스였지요.
동수: 태양을 이용한 에너지 개발은 에너지원이 일부 지역에 편중되지 않고 모두가 이용할 수 있다는 점에서 매우 매력적이에요. 하지만 지역에 따라 과학기술의 격차도 있고, 새로운 투자에 대한 경제적 능력의 차이도 있어서 지구 곳곳이 모두 공평하게 에너지를 이용할 수는 없지요. 물론 노력 없이 얻어지는 것은 없지만 기회가 주어지고 비슷한 결과를 얻을 수 있다면, 배고프고 가난한 나라도 조금 더 누리고 사는 나라도 함께 여유를 즐기며 살 수 있지 않을까요? 따로 또 같이 동기화하듯 말이에요.
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독일 베를린시 ‘아들러스호프 과학기술단지’ 안에 있는 포토닉스·광학연구센터. 아들러스호프에는 지붕과 유리창이 태양전지로 돼 있는 ‘에너지 제로’ 건물들이 여럿 있다. 사진 아들러스호프 제공
‘식물의 광합성 원리’ 연료감응 태양전지
인숙: 책에서 태양전지 모듈이 산을 덮고 사막을 덮고 있는 장면의 사진을 본 적 있어요. 이 정도 크기의 태양전지 모듈이 모여 있으면 ‘어레이(array)’라 부른다고 하네요. 그런 사진을 보면 광대한 면적과 시설과 장비에 우선은 놀라게 되요. 저는 그 사진을 보면서 계절을 가리지 않고 우리나라에 황사를 일으키는 고비사막에다 나무 아닌 태양전지를 심으면 어떨까 하는 생각도 해봤어요. 그런데 태양광 발전소를 건설하는 데엔 넓은 공간이 필요하다고 하는데 태양전지의 효율은 높지 않은가 봐요?
지원: 태양전지의 효율은 높은 것이 대략 24%정도라고 하더군요. 물론 실험실에서 모든 조건들이 최적일 때를 말하지만요. 그래서 실제로 사용되는 태양전지들은 그보다 낮은 에너지 변환율을 갖고 있어요. 태양전지의 효율은 일정한 면적을 비추는 빛의 양과 쓸 수 있는 전기의 양을 비교해서 얻는데 현재는 실리콘 반도체를 이용한 태양전지가 효율이 높고 많이 쓰이고 있어요. 하지만 효율을 높이려면 고순도 실리콘을 사용해야 하는 단점이 있어서 실리콘이 아닌 다른 무기물과 유기물질을 이용한 태양전지 개발도 활발히 이루어지고 있어요.
동수: 태양전지에서 유기물과 무기물의 차이라는 게 뭔가요?
문영: 유기물과 무기물은 탄소라는 원소를 포함하고 있는가에 따라 구분돼요. 탄소를 포함하면 유기물, 없으면 무기물이죠. 하지만 예외적인 것들도 있어요. 이산화탄소(CO2)는 탄소를 포함하지만 무기물로 분리돼요. 유기물은 주로 생명체의 주 원소인 탄소를 포함하는 물질로 식물의 광합성(탄소동화작용)에 의해 얻어지는 양분과 그 양분을 먹이로 하는 생명체의 대부분이 유기물이에요. 그리고 광물질과 공기와 물과 이들에 의해 인공적으로 만들어진 물질을 무기물이라 하고요.
인숙: 발음하기 힘들어 기억에 남는 ‘염료감응형 태양전지(그레첼 전지)’가 있더라고요. 가시광선을 투과시킬 수 있어 건물과 자동차 유리에 선팅 필름 부치듯 유리창에 붙여 사용할 수 있다고 해요. 아직은 5%대의 낮은 에너지 효율 때문에 많이 사용되고 있지 않지만요. 하지만 에너지 제로(0) 하우스에 가면 항상 유리창에 부착되어 눈길을 끌더라고요. 식물의 광합성과 같은 원리라는 설명과 함께 말이에요. 염료감응형 태양전지는 빛을 흡수하는 색소와 전자를 수송하는 이산화티탄과 전해질과 두 개의 전극으로 이루어져 있어요. 실제로 식물의 엽록체처럼 색소가 빛을 흡수하더라고요.
지원: 전해질과 두 개의 전극이 있는 것으로 보아 흔히 사용하는 건전지와 비슷한 것 같네요.
인숙: 아니에요! 큰 차이가 있어요. 건전지는 언제 어디서든 필요할 때 전기를 만드는 기능을 가지고 있지만 태양전지는 태양빛이 있어야만 사용 가능하지요. 사용할 때 장소와 시간의 제약을 받아요. 하지만 두 전지 모두 전자의 이동에 의해 전기가 만들어지죠. 태양전지는 빛에 의해 전자가 더 높은 에너지 수준으로 올라가 전류가 발생하고, 건전지는 화학물질의 이온화에 의해 전류가 흐르게 돼요. 즉 빛에너지와 화학에너지가 전기에너지로 형태만 바뀌는 거죠.
[You must be registered and logged in to see this image.]동수: 실리콘 태양전지를 처음으로 개발한 것은 미국 벨연구소(1954년)에요. 모래나 석영의 주성분인 실리콘을 이용해 전기를 생산하는 태양전지는 통신위성과 휴대용 전자계산기에 처음으로 사용되었어요. 계산기의 태양전지에 햇빛이 비추는 그 순간만 계산할 수 있었지요. 지금의 태양광 발전에 쓰는 태양전지 모듈은 기존의 전력선에 연결되어 지속적으로 전기를 공급할 수 있도록 개발되고 있어요. 태양전지의 전기 발생 효율을 높이고 전기를 저장할 수 있는 축전 기술이 발달하면, 개개인이 사용할 에너지를 입고 다니는 옷에서 가방에서 신발에서 자가 발전해 사용할 수 있는 날이 올지도 몰라요.
문영: 현대의 과학기술은 확실히 반도체에 힘입은 바가 크네요. 미래의 에너지를 이끌어갈 태양전지의 실용화도 실리콘 반도체의 효율에 달렸으니 말이에요. 반도체의 발명이야말로 현대 과학기술 발달의 시작이라 할 수 있겠어요. 컴퓨터도, 휴대폰도, 엘이디(LED) 조명 식물공장도, 태양전지도 모두 불순물에서 출발한 반도체로 인해 놀랄만한 발전을 이루었으니까요.
지원: 맞아요. 반도체는 말 그대로 전기가 통하지 않는 질서정연한 부도체에 불순물을 넣어 전기가 통하는 도체가 되게도 하고 부도체가 되게도 하는 반도체 물질이에요. 불순물을 넣어줌으로써 전자가 많아지거나 부족해진 부분이 생겨 미세한 힘만으로도 그 물질 안의 균형이 쉽게 흩트려져 전자가 이동할 수 있게 되는 거죠. 도체와 부도체의 쉬운 변환은 0과1의 이진법 프로그램과 맞물려 많은 일들을 해 내고 있지요.
동수: 거기에다 나노미터 크기(10⁻⁹m) 수준의 회로 조작이라니! 방대한 양의 숫자 조합과 작은 크기의 가벼움으로 언제 어디서든 많은 일을 하게 될 거라고 생각해요. 한 권의 책이 들어 있는 가방도 힘에 부치는 나로서는 점점 작아지고 가벼워지는 제품들이 기대돼요.
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거대한 에너지 덩어리, 태양. 사진/ NASA
불타는 에너지 덩어리, 태양
인숙: 태양전지에서 반도체의 놀라운 변신으로 얘기가 옮겨갔네요. 태양전지의 에너지원인 태양에 대해 얘기해 보죠. 처음으로 태양을 숭배할 대상이 아닌 ‘불타는 돌덩어리’라고 말한 사람은 그리스의 아낙사고라스(BC 500년 경~BC 428년 경)에요. 신이라 불리는 태양을 과학적 시각에서 물체로 본 최초의 사람이지요. 그 덕에 그는 고향인 아테네에서 추방되어 죽을 때까지 돌아오지 못했다고 해요.
[You must be registered and logged in to see this image.]지원: 스스로 빛을 내는 것을 ‘별’이라 한다면 지구에서 가장 가까운 별은 태양이에요. 태양은 매초 4×10²⁶줄(J) 의 에너지를 우주공간으로 방출하고 있지요. 이 태양 에너지를 모두 지구에서 이용할 수 있다면, 1초의 태양 에너지 방출로도 100만년은 넉넉히 사용할 수 있어요. 아니 그 일부라도 제대로 활용한다면 지구는 에너지 걱정에서 벗어 날 수 있을 거예요. 그러한 노력 가운데 하나가 ‘인공태양 만들기’이지요. 하지만 핵융합 반응(인공태양)에는 엄청난 에너지가 필요해 쉽지 않은 일이에요.
동수: 핵융합에 관한 관심은 앨버트 아인슈타인이 특수상대성이론에서 질량이 에너지로 바뀔 수 있다(E=mc2)는 것을 말하면서 시작되었어요(1905년). 태양의 주 원소인 수소 원자 4개가 결합해 헬륨 원자 1개를 만든다면, 없어진 질량만큼 에너지로 변환된다고 주장하는 사람들이 등장하기 시작했지요. 아서 에딩턴(Arthur Stanley Eddington, 1882~1944)과 제임스 진스(James Hopwood Jeans, 1877~1946)가 바로 그들이에요.
문영: 수소 원자들의 양성자가 결합하려면(핵융합) 양전하와 양전하의 강한 전기적 반발력(쿨롱 장벽)을 이겨낼 에너지가 필요해요. 이 에너지를 얻으려면 태양의 온도가 4억K(캘빈온도 = 섭씨온도+273.15도) 정도 되어야 하고요. 하지만 당시 알려진 태양의 온도는 4000만K 정도였어요. 결국 태양의 에너지원이 무엇이고 별들이 어떻게 빛나는 지에 대한 사람들의 궁금증은 답을 찾지 못했죠.
인숙: 태양 에너지가 어떻게 시작되었는가 하는 수수께끼는 수소 핵융합 반응이 예상보다 훨씬 낮은 온도에서도 가능할 수있다는 것을 밝힌 조지 가모프(George Anthony Gamow, 1904~1968)에 의해 풀리게 되었어요. 양자 터널링 효과가 그것이지요. 가모프의 터널링 효과를 적용하면 수소 핵융합 반응이 400만K 정도의 온도에서도 가능하고 1000만K 이상에서는 안정적으로 일어날 수 있죠.
지원: 터널링 효과??
인숙: 터널링 효과는 반응이 일어나기 위해 일정량의 에너지가 있어야만 통과 할 수 있는 에너지장벽을 입자들의 무분별한 움직임에 의해 미미한 확률이지만 일부가 장벽을 넘지 않고 그대로 통과하는 현상을 말해요. 억지스러운 설명 같지만 눈으로 볼 수 없는 작은 세상에서는 가능하다고 하네요. 나노공학에서 나노 크기(10⁻⁹m)의 장점인 활발한 반응성은 터널링 효과로 설명하기도 해요.
기술 혁신만큼 중요한 에너지 분배
[You must be registered and logged in to see this image.]문영: 태양은 빛과 열이라는 에너지를 모두 가지고 있어요. 이러한 태양의 빛과 열은 태양광 발전과 태양열 발전으로 활용되고 있지요. 하지만 태양전지를 이용한 태양광 발전과 집열기를 이용한 태양열 발전은 전기를 얻는 방식이 완전히 달라요. 태양광 발전은 태양전지라는 물리전지를 이용해 태양빛에 의해 활성화된 전자의 흐름으로 전기를 생산하고, 태양열 발전은 열에 의해 얻어진 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하지요. 하지만 태양의 빛과 열을 이용하기 위해 넓은 면적과 높은 집광력과 집열력이 필요한 것은 같아요. 이는 지구를 비추는 태양에너지가 지구 전체에 골고루 퍼져 있어 한 지점에 도달하는 에너지밀도가 매우 낮아서죠.
지원: 태양에너지의 흡수율을 높일 수 있는 방법으로 흡수를 방해할 물질이 없는 우주와 달에 태양광 발전소를 건설하자는 얘기가 있어요. 실제로 일본의 교토대학교에서는 우주발전에 대비해 우주공간과 같은 가상공간을 만들어 우주 태양광 발전에서 얻은 전력을 전파로 바꿔 지구로 보내는 실험을 할 예정이라고 해요.
동수: 지금까지의 얘기를 종합해 보면 태양이 존재하는 한 지구의 에너지 문제는 시간과 돈이 문제이지 어떤 방식이로든 해결이 날 것 같네요. 현재 가지고 있는 에너지 자원을 아껴 쓰면서 천천히 해결해도 될 것 같은데요.
문영: 그렇게 낙관할 일은 아니에요. 시간은 기술의 격차를, 돈은 분쟁을 야기하기 쉬어요. 아프리카에서는 급격히 떨어지는 밤의 기온을 막아 줄 충분한 에너지를 가지지 못해 추위를 견디지 못하고 죽어가는 아이들이 많다고 해요. 그런데 지구 반대편에서는 기술과 돈을 가진 에너지 부국들이 영하20도의 추운 겨울에도 반팔티를 입고 생활하고 있죠. 사람은 누구나 태어 날 곳을 마음대로 고를 수 없는데 불공평하지 않나요? 아프리카의 아이들에게 털모자를 떠서 보내는 것 말고 그 이상의 관심이 필요다고 봐요.]
아줌마들의 과학 수다 (27)
내가 쓰는 컴퓨터의 에너지원으로 태양을 생각하기에는 아직 무언가 어색하고 마뜩하지 않다. 어디서든 내가 필요할 때 내 마음대로 조절할 수 없어서 그렇고, 태양을 하나의 물체나 원소들의 집합으로 보기에는 다른 무엇인가가 있어야 할 듯싶어서 그렇다. 사람들은 태양의 빛과 열을 받으며 낮과 밤을, 사계절을 구분하고 살지만, 한편에서는 그 태양의 빛과 열을 전기에너지로 바꿔 공해 없는 삶을 만들려는 사람들의 노력도 이어지고 있다.태양이라는 거대한 존재를 생명을 키우는 낮과 밤 그리고 계절의 시간으로 보지 않고 우리가 쓸 수 있는 에너지로 바라보는 사람들의 생각과 기술을 이야기해 보자. /수다꾼: 박문영, 신지원, 이인숙, 최동수 (정리: 이인숙)[You must be registered and logged in to see this image.]
태양광 발전 설비. 한겨레 자료사진
일상의 풍경이 되는 짙푸른 사각패널들
[You must be registered and logged in to see this image.]인숙: 한강의 동호대교를 건너다보면 19인치 컴퓨터 모니터보다 조금 더 큰 짙푸른색 사각패널들을 보게 돼요. 규칙적으로 늘어서 있어 눈에 잘 띄지요. 생각해 보면 비슷한 패널들을 산책로의 해바라기시계 옆에서도, 버스정류장 지붕에서도, 본 기억이 나요. 무엇인지, 어디에 쓰는 것인지 정확하게 알지 못한 채 무심코 지나쳤는데 ‘지속가능한 녹색성장’ 얘기를 듣다보니 그것이 바로 태양전지 모듈(태양전지가 2개 내지 100개 연결된 것을 모듈이라 한대요)임을 알겠더라고요.
지원: 맞아요. 기후변화로 인해 지구온난화의 심각성이 빨리 움직이려는 사람들의 발목을 잡다보니, 탄소 배출과 자원 고갈 염려 없는 재생에너지를 다시보기 시작했어요. 태양과 바람과 파도가 관심 대상이 되고, 그래서 그것들을 이용해 전자의 흐름을 적절히 조절하는 전기에너지로 사용하려는 거지요. 지금의 생활 방식을 그대로 유지하면서 에너지원만 화석에서 다른 것으로 바꾸려는 거고요. 그야말로 지금 에너지 사용 방법이 최선입니까? 확실해요? 이제는 기존의 에너지 사용 방법에 대해 이렇게 물어 봐야하는 상황이에요.
문영: 이산화탄소 감축을 논의하면서 여러 나라들이 태양광 발전소 건설을 서두르게 되었어요. 대표적인 나라로는 독일과 일본과 미국을 들 수 있지요. 태양광 발전의 선두주자는 독일이었는데 중국이 관심을 기울이면서 태양광 발전으로 얻는 독일의 수익이 많이 줄어들고 있다는 뉴스를 들었어요. 세계 경제의 많은 부분을 중국이 차지해 가고 있는 것 같아 귀를 쫑긋하게 하는 뉴스였지요.
동수: 태양을 이용한 에너지 개발은 에너지원이 일부 지역에 편중되지 않고 모두가 이용할 수 있다는 점에서 매우 매력적이에요. 하지만 지역에 따라 과학기술의 격차도 있고, 새로운 투자에 대한 경제적 능력의 차이도 있어서 지구 곳곳이 모두 공평하게 에너지를 이용할 수는 없지요. 물론 노력 없이 얻어지는 것은 없지만 기회가 주어지고 비슷한 결과를 얻을 수 있다면, 배고프고 가난한 나라도 조금 더 누리고 사는 나라도 함께 여유를 즐기며 살 수 있지 않을까요? 따로 또 같이 동기화하듯 말이에요.
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독일 베를린시 ‘아들러스호프 과학기술단지’ 안에 있는 포토닉스·광학연구센터. 아들러스호프에는 지붕과 유리창이 태양전지로 돼 있는 ‘에너지 제로’ 건물들이 여럿 있다. 사진 아들러스호프 제공
‘식물의 광합성 원리’ 연료감응 태양전지
인숙: 책에서 태양전지 모듈이 산을 덮고 사막을 덮고 있는 장면의 사진을 본 적 있어요. 이 정도 크기의 태양전지 모듈이 모여 있으면 ‘어레이(array)’라 부른다고 하네요. 그런 사진을 보면 광대한 면적과 시설과 장비에 우선은 놀라게 되요. 저는 그 사진을 보면서 계절을 가리지 않고 우리나라에 황사를 일으키는 고비사막에다 나무 아닌 태양전지를 심으면 어떨까 하는 생각도 해봤어요. 그런데 태양광 발전소를 건설하는 데엔 넓은 공간이 필요하다고 하는데 태양전지의 효율은 높지 않은가 봐요?
지원: 태양전지의 효율은 높은 것이 대략 24%정도라고 하더군요. 물론 실험실에서 모든 조건들이 최적일 때를 말하지만요. 그래서 실제로 사용되는 태양전지들은 그보다 낮은 에너지 변환율을 갖고 있어요. 태양전지의 효율은 일정한 면적을 비추는 빛의 양과 쓸 수 있는 전기의 양을 비교해서 얻는데 현재는 실리콘 반도체를 이용한 태양전지가 효율이 높고 많이 쓰이고 있어요. 하지만 효율을 높이려면 고순도 실리콘을 사용해야 하는 단점이 있어서 실리콘이 아닌 다른 무기물과 유기물질을 이용한 태양전지 개발도 활발히 이루어지고 있어요.
동수: 태양전지에서 유기물과 무기물의 차이라는 게 뭔가요?
문영: 유기물과 무기물은 탄소라는 원소를 포함하고 있는가에 따라 구분돼요. 탄소를 포함하면 유기물, 없으면 무기물이죠. 하지만 예외적인 것들도 있어요. 이산화탄소(CO2)는 탄소를 포함하지만 무기물로 분리돼요. 유기물은 주로 생명체의 주 원소인 탄소를 포함하는 물질로 식물의 광합성(탄소동화작용)에 의해 얻어지는 양분과 그 양분을 먹이로 하는 생명체의 대부분이 유기물이에요. 그리고 광물질과 공기와 물과 이들에 의해 인공적으로 만들어진 물질을 무기물이라 하고요.
인숙: 발음하기 힘들어 기억에 남는 ‘염료감응형 태양전지(그레첼 전지)’가 있더라고요. 가시광선을 투과시킬 수 있어 건물과 자동차 유리에 선팅 필름 부치듯 유리창에 붙여 사용할 수 있다고 해요. 아직은 5%대의 낮은 에너지 효율 때문에 많이 사용되고 있지 않지만요. 하지만 에너지 제로(0) 하우스에 가면 항상 유리창에 부착되어 눈길을 끌더라고요. 식물의 광합성과 같은 원리라는 설명과 함께 말이에요. 염료감응형 태양전지는 빛을 흡수하는 색소와 전자를 수송하는 이산화티탄과 전해질과 두 개의 전극으로 이루어져 있어요. 실제로 식물의 엽록체처럼 색소가 빛을 흡수하더라고요.
지원: 전해질과 두 개의 전극이 있는 것으로 보아 흔히 사용하는 건전지와 비슷한 것 같네요.
인숙: 아니에요! 큰 차이가 있어요. 건전지는 언제 어디서든 필요할 때 전기를 만드는 기능을 가지고 있지만 태양전지는 태양빛이 있어야만 사용 가능하지요. 사용할 때 장소와 시간의 제약을 받아요. 하지만 두 전지 모두 전자의 이동에 의해 전기가 만들어지죠. 태양전지는 빛에 의해 전자가 더 높은 에너지 수준으로 올라가 전류가 발생하고, 건전지는 화학물질의 이온화에 의해 전류가 흐르게 돼요. 즉 빛에너지와 화학에너지가 전기에너지로 형태만 바뀌는 거죠.
[You must be registered and logged in to see this image.]동수: 실리콘 태양전지를 처음으로 개발한 것은 미국 벨연구소(1954년)에요. 모래나 석영의 주성분인 실리콘을 이용해 전기를 생산하는 태양전지는 통신위성과 휴대용 전자계산기에 처음으로 사용되었어요. 계산기의 태양전지에 햇빛이 비추는 그 순간만 계산할 수 있었지요. 지금의 태양광 발전에 쓰는 태양전지 모듈은 기존의 전력선에 연결되어 지속적으로 전기를 공급할 수 있도록 개발되고 있어요. 태양전지의 전기 발생 효율을 높이고 전기를 저장할 수 있는 축전 기술이 발달하면, 개개인이 사용할 에너지를 입고 다니는 옷에서 가방에서 신발에서 자가 발전해 사용할 수 있는 날이 올지도 몰라요.
문영: 현대의 과학기술은 확실히 반도체에 힘입은 바가 크네요. 미래의 에너지를 이끌어갈 태양전지의 실용화도 실리콘 반도체의 효율에 달렸으니 말이에요. 반도체의 발명이야말로 현대 과학기술 발달의 시작이라 할 수 있겠어요. 컴퓨터도, 휴대폰도, 엘이디(LED) 조명 식물공장도, 태양전지도 모두 불순물에서 출발한 반도체로 인해 놀랄만한 발전을 이루었으니까요.
지원: 맞아요. 반도체는 말 그대로 전기가 통하지 않는 질서정연한 부도체에 불순물을 넣어 전기가 통하는 도체가 되게도 하고 부도체가 되게도 하는 반도체 물질이에요. 불순물을 넣어줌으로써 전자가 많아지거나 부족해진 부분이 생겨 미세한 힘만으로도 그 물질 안의 균형이 쉽게 흩트려져 전자가 이동할 수 있게 되는 거죠. 도체와 부도체의 쉬운 변환은 0과1의 이진법 프로그램과 맞물려 많은 일들을 해 내고 있지요.
동수: 거기에다 나노미터 크기(10⁻⁹m) 수준의 회로 조작이라니! 방대한 양의 숫자 조합과 작은 크기의 가벼움으로 언제 어디서든 많은 일을 하게 될 거라고 생각해요. 한 권의 책이 들어 있는 가방도 힘에 부치는 나로서는 점점 작아지고 가벼워지는 제품들이 기대돼요.
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거대한 에너지 덩어리, 태양. 사진/ NASA
불타는 에너지 덩어리, 태양
인숙: 태양전지에서 반도체의 놀라운 변신으로 얘기가 옮겨갔네요. 태양전지의 에너지원인 태양에 대해 얘기해 보죠. 처음으로 태양을 숭배할 대상이 아닌 ‘불타는 돌덩어리’라고 말한 사람은 그리스의 아낙사고라스(BC 500년 경~BC 428년 경)에요. 신이라 불리는 태양을 과학적 시각에서 물체로 본 최초의 사람이지요. 그 덕에 그는 고향인 아테네에서 추방되어 죽을 때까지 돌아오지 못했다고 해요.
[You must be registered and logged in to see this image.]지원: 스스로 빛을 내는 것을 ‘별’이라 한다면 지구에서 가장 가까운 별은 태양이에요. 태양은 매초 4×10²⁶줄(J) 의 에너지를 우주공간으로 방출하고 있지요. 이 태양 에너지를 모두 지구에서 이용할 수 있다면, 1초의 태양 에너지 방출로도 100만년은 넉넉히 사용할 수 있어요. 아니 그 일부라도 제대로 활용한다면 지구는 에너지 걱정에서 벗어 날 수 있을 거예요. 그러한 노력 가운데 하나가 ‘인공태양 만들기’이지요. 하지만 핵융합 반응(인공태양)에는 엄청난 에너지가 필요해 쉽지 않은 일이에요.
동수: 핵융합에 관한 관심은 앨버트 아인슈타인이 특수상대성이론에서 질량이 에너지로 바뀔 수 있다(E=mc2)는 것을 말하면서 시작되었어요(1905년). 태양의 주 원소인 수소 원자 4개가 결합해 헬륨 원자 1개를 만든다면, 없어진 질량만큼 에너지로 변환된다고 주장하는 사람들이 등장하기 시작했지요. 아서 에딩턴(Arthur Stanley Eddington, 1882~1944)과 제임스 진스(James Hopwood Jeans, 1877~1946)가 바로 그들이에요.
문영: 수소 원자들의 양성자가 결합하려면(핵융합) 양전하와 양전하의 강한 전기적 반발력(쿨롱 장벽)을 이겨낼 에너지가 필요해요. 이 에너지를 얻으려면 태양의 온도가 4억K(캘빈온도 = 섭씨온도+273.15도) 정도 되어야 하고요. 하지만 당시 알려진 태양의 온도는 4000만K 정도였어요. 결국 태양의 에너지원이 무엇이고 별들이 어떻게 빛나는 지에 대한 사람들의 궁금증은 답을 찾지 못했죠.
인숙: 태양 에너지가 어떻게 시작되었는가 하는 수수께끼는 수소 핵융합 반응이 예상보다 훨씬 낮은 온도에서도 가능할 수있다는 것을 밝힌 조지 가모프(George Anthony Gamow, 1904~1968)에 의해 풀리게 되었어요. 양자 터널링 효과가 그것이지요. 가모프의 터널링 효과를 적용하면 수소 핵융합 반응이 400만K 정도의 온도에서도 가능하고 1000만K 이상에서는 안정적으로 일어날 수 있죠.
지원: 터널링 효과??
인숙: 터널링 효과는 반응이 일어나기 위해 일정량의 에너지가 있어야만 통과 할 수 있는 에너지장벽을 입자들의 무분별한 움직임에 의해 미미한 확률이지만 일부가 장벽을 넘지 않고 그대로 통과하는 현상을 말해요. 억지스러운 설명 같지만 눈으로 볼 수 없는 작은 세상에서는 가능하다고 하네요. 나노공학에서 나노 크기(10⁻⁹m)의 장점인 활발한 반응성은 터널링 효과로 설명하기도 해요.
기술 혁신만큼 중요한 에너지 분배
[You must be registered and logged in to see this image.]문영: 태양은 빛과 열이라는 에너지를 모두 가지고 있어요. 이러한 태양의 빛과 열은 태양광 발전과 태양열 발전으로 활용되고 있지요. 하지만 태양전지를 이용한 태양광 발전과 집열기를 이용한 태양열 발전은 전기를 얻는 방식이 완전히 달라요. 태양광 발전은 태양전지라는 물리전지를 이용해 태양빛에 의해 활성화된 전자의 흐름으로 전기를 생산하고, 태양열 발전은 열에 의해 얻어진 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하지요. 하지만 태양의 빛과 열을 이용하기 위해 넓은 면적과 높은 집광력과 집열력이 필요한 것은 같아요. 이는 지구를 비추는 태양에너지가 지구 전체에 골고루 퍼져 있어 한 지점에 도달하는 에너지밀도가 매우 낮아서죠.
지원: 태양에너지의 흡수율을 높일 수 있는 방법으로 흡수를 방해할 물질이 없는 우주와 달에 태양광 발전소를 건설하자는 얘기가 있어요. 실제로 일본의 교토대학교에서는 우주발전에 대비해 우주공간과 같은 가상공간을 만들어 우주 태양광 발전에서 얻은 전력을 전파로 바꿔 지구로 보내는 실험을 할 예정이라고 해요.
동수: 지금까지의 얘기를 종합해 보면 태양이 존재하는 한 지구의 에너지 문제는 시간과 돈이 문제이지 어떤 방식이로든 해결이 날 것 같네요. 현재 가지고 있는 에너지 자원을 아껴 쓰면서 천천히 해결해도 될 것 같은데요.
문영: 그렇게 낙관할 일은 아니에요. 시간은 기술의 격차를, 돈은 분쟁을 야기하기 쉬어요. 아프리카에서는 급격히 떨어지는 밤의 기온을 막아 줄 충분한 에너지를 가지지 못해 추위를 견디지 못하고 죽어가는 아이들이 많다고 해요. 그런데 지구 반대편에서는 기술과 돈을 가진 에너지 부국들이 영하20도의 추운 겨울에도 반팔티를 입고 생활하고 있죠. 사람은 누구나 태어 날 곳을 마음대로 고를 수 없는데 불공평하지 않나요? 아프리카의 아이들에게 털모자를 떠서 보내는 것 말고 그 이상의 관심이 필요다고 봐요.]
