[사이언스타임즈]무한한 태양에너지를 활용하자(상)

왜 무한한 태양에너지를 활용하지 않을까? 고유가시대 해법, 태양에너지(상) 2008년 06월 05일(목)

▲ 수소가 헬륨으로 융합되면서 매초마다 400만톤의 질량이 어머어마한 에너지로 변환된다. 앞으로 약 50억년 동안에도 계속 막대한 에너지를 생산할 것이다.  ⓒNASA ●21세기 과학난제 ● 20일 동안 지구에 내리쬐는 태양에너지는 지구상의 전체 석탄, 석유, 천연가스가 만들어내는 에너지를 모두 합한 것과 같다. ● 태양은 지구 전체 인구가 1년간 소비하는 에너지를 단지 40분 만에 지구로 방출한다. ● 하루 동안 지구에 내리쬐는 태양에너지는 60억 세계 인구가 27년간 사용하는 에너지보다 많다. ● 태양에너지가 고갈되려면 앞으로 약 50억년이 걸린다. 짧은 인류의 역사와 비교했을 때 거의 무한대라고 할 수 있다. ● 태양에너지는 공짜다.  ● 화석연료는 공기나 물을 오염시키고 우리의 건강을 위협하며 지구온난화현상을 불러왔다. 하지만 태양에너지는 이런 걱정을 할 필요가 없다. 햇빛의 양 표시한 NASA의 세계지도 이를 보면 바람에너지나 원자력에너지와 같은 다른 종류의 대체에너지를 활용하지 않고도 태양에너지만 잘 이용하면 지금의 고유가 문제는 한방에 해결할 수 있다. 그래서 최근 고유가시대를 맞아 태양에너지가 차세대 대체 에너지로 급부상하고 있다. 요즘 태양에너지 기술은 한 세기에 한번 나올까 말까하는 대박사업으로 얘기될 정도다.  태양에너지에 대한 관심이 높아가는 가운데 지난해 11월, 미항공우주국(NASA)은 지구에 쏟아지는 햇빛의 양이 얼마나 되는지를 나타내는 세계지도를 발표했다. 이 지도는 지난 20여 년간 미국과 유럽의 위성이 관측한 기록을 종합해서 만들어졌다. ▲ 지난해 11월 NASA가 발표한 햇빛의 양을 표시한 세계지도. 빨주노초파남보 무지개 색으로 햇빛이 내리쬐는 양을 나타냈다. 많을수록 빨강색 적을수록 보라색이다. 우리나라는 노란색이다.  ⓒNASA 지도는 빨주노초파남보, 무지개 색으로 표시되었다. 햇빛의 양이 많을수록 빨강색, 적을수록 보라색으로 나타냈다. 지도에서 가장 많이 햇볕에 붉게 탄 곳은 하와이가 있는 적도 근처의 태평양 중앙과 적도 근처의 대서양 중앙이다. 대륙에서 가장 붉게 나타난 곳은 호주대륙과 아프리카 사하라 사막이다. 만약 이 두 곳 중 하나의 드넓은 사막에 한반도 면적 정도만 태양전지를 설치해도 전 세계에서 필요로 하는 에너지를 얻을 수 있다. 하지만 이곳이 아니더라도 극지방을 제외하고 대부분 지역에서 태양에너지를 이용하는 데는 문제가 없다. 현재 태양에너지 활용도 1% 미만 그러나 우리는 지금 태양에너지를 고작 1%도 안 되게 활용하고 있을 뿐이다. 왜 우리는 풍부한 태양에너지를 이토록 버려두고 있는 것일까? 무엇이 태양에너지 시대가 오는데 걸림돌이 되고 있는 걸까? 이유는 간단하다. 태양에너지를 활용하는 기술이 비용이 많이 들고 효율이 높지 않아 다른 에너지보다 경제성이 떨어지기 때문이다. 사실 태양에너지 기술은 역사가 꽤나 오래되었다. 태양에너지를 전기에너지로 변화해주는 과학적 연구는 20세기가 아니라 19세기 전반기에 시작되었으니 말이다. 1839년 프랑스 물리학자 알렉산더-에드몬드 베크렐이 태양빛이 전기로 바뀌는 광전효과를 처음으로 발견했다. 참고로 알렉산더-에드몬드 베크렐은 1903년 방사성 연구의 공로로 노벨물리학상을 받은 앙리 베크렐의 아버지이다. 그리고 광전효과를 이론적으로 설명한 것은 알버트 아인슈타인이다. 아인슈타인은 이 공로로 1921년 노벨물리학상을 수상했다. 광전효과가 발견되고 한참 지난 1880년대 태양에너지를 전기에너지로 바꿔주는 태양전지가 최초로 만들어졌다. 이 태양전지의 효율은 1%도 안됐다. 현대적인 태양전지는 1954년 미국의 벨연구소에서 우연히 탄생했다. 반도체에 대한 실험을 벌이던 중, 특정 불순물을 포함한 규소가 햇빛에 민감하게 반응하는 것을 우연히 발견하게 된 것이다. 규소는 반도체 재료로, 지구에서 아주 흔한 물질이다. 덕분에 이전에는 꿈도 꾸지 못할 정도로 싸고 쉽게 태양전지를 생산하는 시대가 열렸다. 우주에서 활개 치는 태양전지 ▲ 국제우주정거장에는 수많은 태양전지가 장착되어 있다. 태양전지는 우주장비에 전기를 공급해주기 위해 필수적으로 이용되고 있다.  ⓒNASA 현대적인 태양전지의 등장에 대해 당시 뉴욕타임스는 이런 예측을 했었다. 태양전지는 무한한 태양에너지원을 가져다줄 것이라고 말이다. 그 예측은 아직까지 빗나가 있는 상태지만, 반도체 태양전지는 발명되고 얼마 지나지 않아 곧바로 활용되기 시작했다. 태양전지가 최초로 장착된 것은 인공위성이었다. 1958년에 발사되어 현재도 지구궤도를 도는 뱅가드1은 태양전지가 최초로 장착된 인공위성이다. 화학전지는 고작해야 몇 주밖에 작동하지 않지만 태양전지는 1년 이상 전기를 공급해주었다. 이후 인공위성뿐 아니라 우주탐사선에도 태양전지는 전력공급원으로써 필수적인 기술로 자리를 잡았다. 사실 태양전지가 없었더라면 지상에서 우주와의 통신은 꿈도 꾸지 못했을지도 모른다. 다른 방법으로 어떻게 화성에 착륙한 우주탐사선과의 교신할 수 있을까? 국제우주정거장의 경우에도 여러 개의 팔이 있는데 그 이유는 태양전지판 때문이다. 하늘과는 달리 땅위에서는 태양전지가 기를 펴지 못했다. 값싼 석유와 석탄이 있는데 굳이 비싼 태양전지를 설치할 필요가 없었다. 초기 반도체 태양전지는 1와트의 전기를 생산하는데 무려 286불이 들었고 효율은 고작해야 4.5-6 퍼센트 정도였다. 과거 오일파동이 있을 때마다 막대한 연구비가 지원되었음에도 불구하고 수십 년 동안 태양전지의 기술은 아주 느리게 발전했다. 그 결과, 태양전지는 실망스런 기술로 낙인이 찍히게 되었다. 현재 상업적으로 보급되는 태양전지의 효율은 대략 15 퍼센트다. 태양전지의 작동원리가 아킬레스건 태양전지의 발전에 발목을 잡고 있는 건 태양전지 그 자체에 있다. 빛은 광자라는 빛의 알갱이로 이루어져 있고, 태양에서 방출하는 광자는 에너지가 매우 다양하다. 태양전지가 빛을 받으면 전기가 생산되는 이유는, 광자가 태양전지의 물질을 때려 전자가 방출되기 때문이다. 하지만 모든 종류의 광자가 전자를 방출시키지 않는다. 반도체 태양전지에 딱 맞는 광자의 에너지 띠가 있다. 따라서 아무리 강한 빛이 내리쬔다고 해도 반도체 태양전지가 받아들이지 못하는 빛이라면 전기는 생산되지 않는다. 이런 까닭에 태양전지는 항상 일부 태양빛만 흡수할 수 있어 효율을 높이기가 어렵다. 이같은 태양전지의 작동원리는 태양전지의 발전에 아킬레스건인 셈이다. 그러나 최근에 태양전지의 기술은 과거 어느 때보다 빠르게 발전하고 있다. 현재 실험적으로는 태양전지의 효율이 무려 42.8 퍼센트까지 끌어올려졌다. 상업적으로 아직 최고 효율이 20 퍼센트 정도이긴 하지만 앞으로 연구를 통해 상황은 달라질 것으로 예측된다. 그래서인지 최근 태양전지의 기술투자에 구름떼처럼 돈이 몰리고 있다. 또한 기름값이 높아지면서 태양전지는 과거 어느 때보다 경제성이 있어 보이기 시작했다. 그렇다면 현재 태양전지 기술은 얼마나 발전했고, 미래에는 어떤 새로운 아이디어로 어느 정도까지 발전할 수 있을까?

박미용 기자 | pmiyong@gmail.com 저작권자 2008.06.05 ⓒ ScienceTimes

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