기존 결정질실리콘분야는 고효율·저가화 핵심기술 돌파를 위한 산·학·연 공동협력프로젝트 지원을 우선 고려하고 차세대 태양전지의 원천기술 확보를 위해 혁신적이고 창의적인 기초원천 연구에 지속적인 관심을 기울일 계획이다. 이에 ‘염료감응 태양전지’에 대해 알아보고 개발동향과 시장전망을 분석해 본다.
■ 염료감응 태양전지란
인류는 지금 지구온난화와 화석 연료의 고갈이라는 문제점을 갖고 있다. 이를 해결하기 위해 온난화의 원인인 이산화탄소를 배출하지 않고 무제한으로 존재하는 태양에너지를 이용하려는 노력이 계속되고 있다.
태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 바꾸어 사용할 수 있게 해주는 장치다. 요즘 우리가 가정이나 공장 옥상 등에서 흔히 보는 것은 실리콘 태양전지다. 실리콘에 햇빛이 닿으면 전자가 발생해 한쪽 방향으로 이동하게 되는데 이 흐름이 바로 전기다.
최근엔 가격이 저렴하고 활용도가 높은 ‘염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)’가 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 섬유 염색산업에 주로 이용돼 왔던 염료가 태양전지, 편광필름, 컬러필터 등과 같은 고부가가치 소재산업으로 그 영역을 확대하고 있는 것이다.
특히 염료감응 태양전지는 상용화된 폴리실리콘 기반의 태양전지에 비해 제조비용을 최대 5분의1 수준으로 낮출 수 있으며 에너지 변환 효율을 높인다면 태양광산업의 새로운 전환점이 될 것으로 예상되고 있다.
■ 염료감응 태양전지의 특성
염료감응 태양전지는 1991년 스위스 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수가 처음 개발에 성공, 네이처(Nature)지에 발표하면서 알려지게 됐다. 금속산화물 TiO2(이산화티탄) 표면에 염료를 침지(浸漬)시켜 광전기 화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 태양전지다.
염료감응 태양전지는 유리와 유리 사이에 특수 염료를 이용해 태양광을 전기로 전환하는 태양전지로 기존의 실리콘태양전지에 비해 비용이 저렴하고 흐린 날씨에도 발전효율이 높은 것이 장점이다.
특히 반투명하고 휘는 특성을 가지고 있으며 다양한 색과 형태로 만들 수 있는 것이 장점으로 활용도가 매우 높다.
우선 색이 다양해 건물 외벽은 물론이고 인테리어 용도로도 사용할 수 있다. 또한 투명도를 자유롭게 조절할 수 있어 유리를 대체하는 것도 가능하다. 예컨대 자동차 지붕에 붙어있는 선루프 유리 대신 염료감응 태양전지를 부착하면 얼마든지 전기를 생산할 수 있다.
염료감응 태양전지는 현재 10~11% 정도의 상용화 효율을 나타내고 있고 저비용의 제조설비 및 공정기술로 인해 발전단가를 1/2수준으로 낮출 수 있으며 유연한(flexible) 기판에 투명한 태양전지로 응용 가능한 장점 덕분에 전 세계적으로 집중적인 연구가 이뤄지고 있다.
■ 개발동향
세계 각국에서 염료감응 태양전지의 상용화 추진이 활발히 진행되고 있다. 유럽은 브라운 호퍼 연구소, 솔라토닉스, ECN을 중심으로, 미국은 코나카(Konarka), 듀폰, GE, MIT를 중심으로 진행 중이다.
아시아에서는 일본이 가장 앞서 있으며 소니, 샤프, 후지필름 후지쿠라 등 50여개 기업이 상용화를 위한 연구를 진행 중이다.
국내에서는 출연연구원인 ETRI, KIST, 한국화학연구원 등에서 연구를 수행 중이며 연구인력 및 연구분야가 점차 확대되고 있다.
국내기업으로는 삼성SDI, LG디스플레이 등 대기업에서 사업에 참여하고 있으며 국내기업인 티모테크놀로지와 호주 다이솔이 합작해 설립한 다이솔티모가 연구에 참여하고 있다.
최근 특허청에 따르면 염료감응 태양전지용 염료에 관한 출원은 지난 2002년부터 2010년까지 총 98건으로 꾸준한 증가추세에 있는 것으로 나타났다. 내국인 출원이 다수(60.2%, 59건)를 차지하고 있으며 주요 출원인으로는 동진쎄미켐(23건), 고려대 산학협력단(7건), 엘지디스플레이(4건) 순으로 나타났다.
이처럼 출원의 지속적 증가는 정부의 녹색성장 정책과 그에 따르는 산업계의 활발한 연구개발에 기인한 것으로 보인다. 출원내용을 보면 염료의 화학 구조를 개선, 에너지 변환효율과 내구성 등을 향상시키는 연구가 중점적으로 이뤄지고 있는 것으로 분석됐다.
현재 염료를 이용한 태양전지분야는 기술표준이 정립돼 있지 않고 원천기술에 대한 진입 장벽이 낮으므로 새로운 녹색산업의 한 축으로 적극 추진해 볼 만하다.
특히 우리나라가 섬유 염색산업에 많은 강점이 있어서 그동안 확보된 염료기술에 대한 노하우를 바탕으로 에너지 효율이 우수한 염료를 적극적으로 개발하고 핵심 특허를 미리 선점한다면 머지않아 우리 기업이 염료감응 태양전지시장의 강자로 등장할 것으로 기대된다.
■ 시장전망
2011년 초까지는 소형 염료감응형 태양전지가 시장의 대부분을 차지할 것으로 예상되나 2012년 이후로 삼성SDI, 동진쎄미켐, 티모와 같은 한국 업체와 Sharp, DNP, 3G Solar 등과 같은 해외 업체의 제품이 본격적으로 출하되면서 2013년 본격적인 상업화가 이뤄질 것으로 전망되고 있다.
염료감응형 태양전지의 응용제품으로는 현재 건물 일체형 태양전지(BIPV)가 가장 유력해 시장의 50% 이상을 차지할 것으로 보인다. 현재 주요 시장을 형성하고 있는 포터블 전자기기용 충전기시장도 20% 내외로 발전할 것으로 보인다.
국내에서는 삼성SDI, LG디스플레이 등 대기업에서 염료감응 태양전지사업에 참여하고 있다. 다이솔티모는 2009년 상업생산 설비를 갖추고 세계 최초로 상용화를 위한 시험생산에 성공했으며 2008년 ETRI로부터 플렉서블 염료감응 태양전지기술을 이전받아 상용화를 추진 중이다.
또한 이건창호가 2008년 시제품개발에 성공했고 KIST와 공동개발하고 있는 동진쎄미켐, 우리솔라 등도 상업화를 준비 중이다.
염료감응 태양전지의 향후 시장 전망은 에너지전문조사기관인 솔라앤에너지에 따르면 2014년 본격적인 양산이 시작될 것으로 보인다.
최근 솔라앤에너지가 발간한 ‘염료감응 태양전지 4대 주요 부품소재 연구동향 및 시장전망’보고서에서는 다양한 색상구현과 투명성의 장점을 지닌 염료감응 태양전지 시장규모가 2015년에는 3억달러 규모로 형성되며 연평균 33.9%의 성장률을 나타낼 것으로 전망됐다.
시장규모는 올해 1억3,000만달러에서 2014년 1억5,700만달러, 2015년 2억9,600만달러, 2020년 9억800만달러로 성장할 전망이다.
특히 염료감응 태양전지의 특장점을 최대화시킬 수 있는 건물일체형 태양광발전(BIPV)시장이 2억달러 이상의 비중을 차지할 것이라고 분석했다.