입력 2025.12.23 10:50
- 물로 지워지지 않던 ‘끈적 오염’, 오일 기반 자가세정으로 해결
- 인캡슐레이션 막을 활용한 얇고 유연한 실리콘 태양전지 성능 향상
- 우수한 기계적 강도/정밀한 복제기술을 기반으로 상용화 가능성 극대화
□ 서울과학기술대학교 윤현식 교수 공동연구팀(강원대학교 엄한돈 교수, 울산과학기술원(UNIST) 서관용 교수)이 태양광 설비의 발전 효율을 저하시켜 온 ‘끈적 오염(오일성 잔여물 + 먼지)’ 문제를 해결할 수 있는 자가세정 표면 기술을 제시했다. 연구팀은 물 기반 세척으로는 제거가 어려운 오일성 잔여물을 태양전지 유지관리의 난제로 주목하고, 오일을 활용해 오염을 떼어내는 새로운 방식의 표면 설계를 마련했다.
□ 그동안 자가세정 표면 연구는 주로 ‘물방울이 굴러가며 먼지를 씻어내는’ 소수성(물-반발) 표면 제작에 집중되어 왔다. 그러나 실제 태양광 설비에 발생하는 오염은 흙먼지뿐 아니라 조류 배설물, 오일성 잔여물 등 유기 성분이 혼합된 형태가 많아 소수성 표면만으로는 대응에 한계가 있었다. 이에 연구팀은 물과 기름을 모든 방향에서 튕겨내는 표면을 구현해 유기계 오염까지 제거할 수 있는 새로운 접근을 제시했다. 특히 이번 연구에서는 곤충 피부 구조를 모방하여, 물·오일 등 서로 다른 표면장력을 가진 액체가 어떤 방향에서도 침투하지 않도록 설계한 표면 디자인을 보고했다.
□ 이를 검증하기 위해 연구팀은 오일성 잔여물이 물 기반 세정에는 잘 제거되지 않지만, 오일 기반 세정에는 효과적으로 제거될 수 있음을 실험으로 입증했다. 또한 표면 구조 내부에 공기가 채워져 있어, 어떤 방향에서도 오일이나 기타 액체가 구조 내부로 침투하지 않는다는 점을 확인했다. 더불어 외부 충격에도 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 확보하고, 오일성 잔여물이 남지 않도록 돔(dome) 형태의 구조를 설계함으로써 실용적 가능성을 더욱 높였다.
□ 또한 연구팀은 유연 태양전지 적용을 통해 성능과 내구성 역시 입증했다. 얇고 잘 휘는 박막 결정질 실리콘 태양전지에 본 기술을 적용한 결과, 발전 효율이 16.3%에서 최대 18.1%까지 향상되었으며, 이는 돔 구조의 광학적 효과로 빛 활용이 증가한 데 따른 것으로 설명했다. 더불어 1,000회 이상의 반복 굽힘 시험 이후에도 코팅이 균열이나 박리 없이 유지되고 주요 성능 지표가 안정적으로 보존되어, 유연하면서도 고안정성을 갖춘 실리콘 태양전지 구현 가능성을 확인했다.
□ 이번 연구의 의미는 익숙한 개념이었던 ‘자가세정 표면’을 한 단계 확장했다는 데 있다. 윤현식 교수는 “기존 물 중심 자가세정 방식에서는 간과되기 쉬웠던 오일성 잔여물 기반의 점착성 오염 문제를 고려해, 물과 기름 모두에 강한 표면을 제시함으로써 다양한 설치 환경에서 태양광 설비의 유지관리 부담을 줄일 수 있는 가능성을 열었다”고 말했다.
□ 이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 12월 17일 자에 게재되었으며, 한국연구재단(중견연구자사업, 중점연구소사업, 글로컬 R&D 지원사업)과 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터(신진 인프라 지원사업)의 지원을 받아 수행되었다.