휴대전원용태양전지기술현황 성시준 * 유비쿼터스시대의도래에따라서다양한휴대형정보전자기기가보급되고있으며이러한휴대형정보전자기기에필수적인휴대형전원에대한수요도급격히중가하고있다. 기존의휴대형정보전자기기의경우일반적으로이차전지를사용하고있으나효율및에너지밀도의제한으로인하여제한된시간만사용이가능하며지속적인충전이필요하기때문에이를극복하기위한새로운휴대형전원의개발이요구되고있다. 이러한새로운휴대형전원으로태양전지, 연료전지등의그린에너지를기반으로한다양한기술이활발하게연구, 개발되어오고있는데본보고에서는태양전지를기반으로한휴대형전원기술의현황에대해서이야기하고자한다. 태양전지는최근들어많은관심을받고있는그린에너지원의하나로급증한석유자원고갈의위기감과폭발적인에너지수요증가에대응할수있는차세대에너지원으로부각되면서국가적인차원에서관심이집중되고있는기술이다. 태양전지는태양광이존재하는곳에서는어디에서나작동이가능하기때문에우주에서부터태양광발전소, 빌딩, 주택, 휴대형전자기기등광범위한분야의에너 [ 그림 1] 다양한 Voltaic Solar Bags Backpack Converter Messenger Generator 출처 : http://www.voltaicsystems.com) * 대구경북과학기술원선임연구원 (e-mail: sjsung@digist.ac.kr) 90 과학기술정책 2009. 봄
지원으로활용이가능하다. 휴대형전자기기의전원으로태양전지를사용하는경우에는태양광이존재하는환경에서는제한없이전원의공급이가능하나기후및환경의영향에따라전력량의변동이있기때문에전원을충전할수있는이차전지와함께구성하여사용하는것이일반적이다. 태양전지를기반으로한휴대형전원의주된응용분야중의하나는야외에서사용이가능한전자기기용휴대형전원시스템으로구체적인사례를아래에기술하였다. 미국의볼타익시스템 (voltaicsystems.com) 은 2004 년부터 Voltaic Solar Bags 을선보였는데다양한종류의솔라백이 $200~$500 정도의가격으로판매중에있다. 솔라백은박막태양전지를백의외부에부착하고백내부에는 2차전지를포함하고있는데, 대부분의휴대전자기기의충전이가능하므로군사용은물론이고야외에서의레저활동시에있어서도긴요하게활용이가능하며하루발전을통해최대 15 와트정도의전력생산이가능한데이는보통의랩톱컴퓨터를완충할수있는수준의전력이다. 휴대형전자기기의전원공급을위한태양전지시스템도상용화되어있다. 영국의태양전지전문화사인솔라테크놀로지 (Solar technology) 사는전자기기를위한휴대형태양광충전지인 Freeloader Pro 를 70 에판매하고있다. [ 그림 2] Freeloader Pro 및응용분야 출처 : http://solartechnology.co.uk Freeloader Pro 는자체내장배터리 (1000mAh Li-ion battery) 및 crystalline 태양전지패널로구성되어있다. Freeloader 의경우 120mA 의출력이가능하며랩톱컴퓨터, 휴대폰, 디지털카메라등다양한휴대용전자기기의충전이가능하다. 앞서예를든구체적인형태및용도를갖는휴대전원용태양전지시스템과는달리유연한필름형태의태양전지를기반으로한휴대형태양전지전원시스템도상용화되어있다. 미국의파워필름 (PowerFilm) 사는다양한형태의태양전지필름을판매하고있다. 파워필름은 3M의연구진 2명이 1988 년창업한회사로현재 5~60 와트용량의다양한폴딩솔라셀및롤러블 (Rollable) 필름을판매하고있다. 솔라필름은유연한필름의특징을갖고있기때문에다양한형태로사용이가능하므로군사, 레저, BIPV(Building Integrated Photo Voltaics) 등다양한분야에서활용이가능하다 91 과학기술정책 2009. 봄
[ 그림 3] 파워필름및응용분야 출처 : http://www.powerfilmsolar.com 야외에서사용이가능한독립적인휴대형전원형태의태양전지제품과는달리태양전지를다양한중소형모바일기기에직접내장한제품도다양하게발표되고있다. 중국의 HTW에서내놓은태양전지휴대폰 HTW S116 은 1.3 메가픽셀카메라와 QVGA 급해상도의디스플레이를장착하였으며한시간충전에약 40분통화가가능한데중국시장에서약 500 달러에판매중에있다. 국내휴대폰제조업체인삼성전자와 LG전자에서도 [ 그림 4] 태양전지휴대폰 HTW S116 태양전지휴대폰의프로토타입을 2009 년 2월에발표하였다. 삼성전자의 블루어스 (Blue Earth) 는둥근디자인의터치스크린기반의환경을테마로만들어진휴대폰으로태양전지는휴대폰의뒷면에장착되어있으며재생플라스틱으로제조되었고유해물질이사용되지않았다. LG전자도 KF750 시크릿 (secret) 폰을공개하였는데블루어스와마찬가지로태양전지가휴대폰뒷면에장착되어있다. [ 그림 5] (a) 삼성전자블루어스, (b)lg 전자 KF750 시크릿폰 (a) (b) 92 과학기술정책 2009. 봄
그러나현재기술수준의태양전지휴대폰들은태양전지만으로충분한전력공급이불가능하기때문에모두충전식 2차전지가함께포함되어있는형태이며통화가능시간도아직까지는부족한수준이다. 그러나향후확대가예상되는 그린 (green) 제품시장의선점을위해서는지속적인연구개발이필요하다고판단된다. 태양전지휴대폰이외에도태양전지를내장한 Portable Media Player (PMP) 도발표되었다. 2008 년싱가포르의 Shiro 사는태양전지로충전이가능한 Solar Media Player 인 SQ-S MP4 series 를발표하였는데 USB 및태양전지를통한충전이가능하여기존의 PMP의사용제약성을보완해준다는점에서편리성을확고히높였다고할수있다. 앞서의내용과같이휴대전원용태 [ 그림 6] Shiro 사의 Solar Media Player 양전지기술은현재다양한휴대형전원및모바일기기용전원으로만활용되고있으나향후기술이더욱발전하게된다면무인로봇용에너지원으로활용이가능할것으로예상된다. 실제로공상과학영화및애니메이션에서태양전지를동력원으로사용하는로봇을흔하게볼수있다. 출처 : www.shirocorp.com [ 그림 7] 태양전지를전원으로사용하는월 -E 출처 : www.pixar.com 93 과학기술정책 2009. 봄
실례로픽사 (Pixar) 의최신영화월-E (Wall-E, 2008, 앤드류스탠턴감독 ) 에서주인공월-E 는지구폐기물수거 -처리용로봇을의미하는데, 영화도입부에배터리잔량이소모직전에이르자실외로나가서가슴속에감추어진태양전지패널을꺼내어태양을향해펼치고수초동안충전을하는장면이나온다. 태양전지는실제로우주, 극지방, 사막, 지뢰지대등인간이접근하기힘든극한환경에서활동하는무인로봇을위한휴대전원으로적용되고있으며다양한연구개발이진행중에있다. 태양전지를탑재한로봇으로대중에게가장널리알려진것은미국항공우주국 (NASA) 의화성탐사로봇들이며, 성공적인임무수행을한화성탐사로봇 (Mars rover) 으로는 1997 년의소저너 (Sojourner), 2003 년의스피리트 (Spirit) 및오퍼튜니티 (Opportunity) 가있다. [ 그림 8] 화성탐사로봇 (a) 소저너, (b) 스피리트, (c) 오퍼튜니티 (a) (b) (c) 소저너는 1997 년화성표면에서 83일간운행하며화성의지질, 화학조성및대기에대한방대한양의정보를지구로전송해왔다. 소저너는무게 10 kg, 길이 63cm 높이 28cm의무인이동로봇인데에너지원은경량의솔라어레이 (solar array) 로부터만들어져공급되는데, 태양전지는효율 15% 이상의 GaAs/Ge 계열이며단위셀은 2 * 4 cm 크기로평행의 13 줄 array 로구성되어있고각줄당 18 개셀이연결된구조이다. 이후미국과유럽의계속된화성표면탐사계획실패후, NASA 는 2003 년 6월과 7월에소저너와마찬가지로태양전지패널을상부에넓게펼치고있는쌍둥이화성탐사로봇스피리트 (Spirit) 와오퍼튜니티 (Opportunity) 를발사했고, 2004 년 1월각각화성표면에안착하여화성표면영상을지구로전송하기시작했으며현재까지도임무를수행중에있다. 지금까지알아본내용과같이태양전지는휴대폰및모바일기기는물론이고레저, 군사, 우주탐사등다양한분야에서이동형전원으로활용되고있다. 그러나아직까지는태양전지의제작비용이비싸고효율이낮기때문에휴대전원용태양전지의본격적인보급이이루어지지못하는실정이다. 향후태양전지및배터리관련기술이더욱발전한다면무한한에너지원인태양광을활용하는 selfsustaining energy source 의실현이가능하리라기대하고있다. 94 과학기술정책 2009. 봄