세계는 지금 하루가 다르게 고갈되고 있는 화석연료와 급속도로 빠르게 온난화로 변해가는 환경을 지키기 위해 다각적인 연구를 하고 있다. 또한 현대사회는 새로운 가치를 창출하기 위해 기존 기술들을 융합하고 조정 및 조절함으로써 신기술을 개발해야 한다. 이러한 다기능을 포함할 수 있는 기술의 중심이 나노 기술이다. 나노기술은 신소재를 개발해 초소형, 초고집적, 초고속, 초전력의 기술들이 포함된 소자들을 시스템화하는 기술로 요약할 수 있다.

나노(Nano)란 그리스어의 난쟁이란 말에서 유래된 것으로 10억 분의 1을 가리키는 미세단위다. 동일한 소재라 해도 극미세 크기인 나노단위로 작게 만들면 새로운 기능이 형성되어 신소재가 된다. 자원과 물질의 고갈 시대에 나노신소재기술은 디지털 혁명, 유전자 혁명에 이은 새로운 물질혁명을 일으키며 21세기 신산업혁명을 주도하는 중요한 기술이다.

경남대학교 나노신소재공학과 이상천 교수는 “나노신소재공학은 모든 산업과 신기술 혁신의 기반으로 많은 학제적 연구와 기술융합발전이 필수적인 분야입니다”라며 “역량을 집중한다면 우리가 선도할 수 있습니다”라고 자신했다. 국내 나노기술은 현재 학제 간 연구영역에 속하는 태동기술로서 세계수준의 반도체 생산기술력과 소재분야의 우수 연구자원으로 활용되고 있다. 그 응용분야도 매우 다양하다.

“정보 저장 소자, 연산 소자, 정보 입출력 양자점 소자, 정보표시 소자, 전원 등에 다양하게 이용되며, 이러한 나노 소자 기술은 슈퍼컴퓨터를 손목시계 크기로도 만들 수 있는 뛰어난 기술입니다.”

집광형 태양광 발전 기술 개발로 국제적 경쟁력 확보

이 교수는 환경을 지키고 미래에너지를 확보하기 위한 연구를 해오고 있다. 특히 자연 상태에서 그냥 소모되는 바람, 물, 태양광 등을 이용한 자연친화적인 에너지 회수 방법 중 가장 에너지 변환 효율이 높은 집광형 태양광 발전을 개발해오고 있다.

그는 “태양은 지구의 109배 크기로 지구로부터 1억 5,000만km 떨어진 곳에 위치하며 수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기체덩어리로서 초당 3.83.8×1023kw의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염입니다. 지구는 태양으로부터 지표면 1㎡당 700-1,300w의 에너지를 받게 되는데, 이는 전 인류 소비에너지량(1.2×1,010kw)의 약 1만 배에 달하는 것입니다”라고 설명하며 “기존의 태양광 발전 기술은 대부분이 실리콘계열의 태양광발전 셀과 모듈을 이용해 변환효율 약 15~20%로 전기를 발생시켜 사용하고 있습니다”라고 전했다.

그가 개발하고 있는 태양광발전 기술은 좁은 설치공간에서도 높은 효율을 내며, 저렴한 설치비용에 높은 생산성을 장점으로 한다. 초고집광 발전 솔라셀로서 이는 HCPV (High-Concentration Photo Voltaic)이라고도 불린다. 기존의 태양광 발전모듈은 지구에 떨어지는 태양광을 그대로 받아드려 발전하는데 비해서 HCPV는 돋보기 같은 렌즈를 통하여 태양광을 최소 500배 이상 집광시켜 고온, 고광을 이용하여 전기를 발전시키는 원리이다.

HCPV는 기존 실리콘 계열의 태양광 발전효율인 20%를 훨씬 뛰어넘는 35%~43%까지 발전할 수 있다. 이 기술의 가장 큰 핵심은 태양광을 고 배율로 집광하는 기술이며 이때  발생하는 수백도씨의 높은 온도를 적정 수준으로 조절하여 배율을 획기적으로 증가시키는 기술이다. 고온의 열을 기술적으로 많이 조절할 수 있다면 보다 많은 태양광을 집광시켜 Ge, GaAs(Gallium arsenide), InGaP를 기반으로 한 3중 구조의 태양광 셀에 빛을 투과해 높은 발전 효율을 만들어 내고 경제성도 높일 수 있다는 장점이 있다.

이 교수는 1,000~2만배의 태양광 고집광 조절 기술과 최고 효율인 43% 급의 III-V GaAs 태양광 솔라셀을 바탕으로 HCPV의 새로운 전기발전에 관한 패러다임을 제시해 주목받고 있다. 그는 “세계가 현재 이러한 고집광형 태양광발전 방식을 채택하고 태양광 시장의 새로운 시장을 만들어 가며 신재생에너지의 패러다임을 변화해 가고 있는 상황에서 한국도 이에 대한 제도적 장치의 마련과 관련 기업 지원 시스템을 구축하여 미래의 에너지 산업에 대처하여야 합니다”라며 새 정부의 에너지 정책과 그린에너지산업의 필요성을 토로했다.

그는 이러한 기술을 이용해 일부 지방행정기관에 시범 설치하기 위해 의견을 조율하고 있으며 특히 동남아시아 국가연합(ASEAN+3, Association of SouthEast Asian Nations+Korea, china, japan)의 13개국과의 과학기술위원회의 상호 공동협력을 통한 동남아시아회원국에 새로운 태양광발전시스템인 HCPV를 시범설치운영을 기획하고 아울러 관련 대학과의 첨단인력양성도 추진하고 있다. 

이 교수는 “HCPV는 좁은 설치공간과 높은 효율, 진보된 추적 장치와 고 집광 모듈과 프레임 셋이 장점입니다”라며 왜 HCPV가 미래의 에너지원으로 각광받는지 설명했다.

“HCPV는 미적인 부분이 강조될 수 있어 건물의 지붕, 옥상, 주차시설이나 야외에 설치할 수 있으며, 독창적으로 설계된 프레임 구조는 설치기간과 비용을 감소시켰습니다. 별도의 콘크리트 구조물이나 기초공사 없이 프레임 셋 조립만으로도 지면에 설치가 가능합니다.

또한 35% 이상이라는 업계 최고 수준의 모듈 효율, 1,200배 집광의 고효율 프레즈넬 렌즈와 2,000배 이상의 고 집광을 위한 반사경장치, 태양열 조절장치 사용으로 내구성이 우수하고 오염과 변색을 방지했습니다. 본 기술은 시스템과 부품에 대하여 세계 특허를 등록했고 계속적으로 기술 개발을 통한 새로운 특허도 준비 중입니다. 이러한 기술적 우위는 지상고를 낮게 설계할 수 있어 설치기간이 짧고 최저 비용으로 유지보수가 가능합니다.”

뿐만 아니라 공장에서 최적의 상태로 조립, 출고되어 현장에서는 Plug and Play 방식의 쉬운 설치가 가능하다. 편리한 모니터링 또한 강점이다. 빌트인 모니터링 장치를 통해 모듈별 상황과 오류 등을 원격으로 모니터링하고 제어할 수 있다. 표준 SQL 데이터베이스를 통해 별도의 외부 프로그램을 연동할 수 있으며, 최적화된 원격 네트워크 연결을 통해 별도의 외부 케이블 연결이 필요없다는 점도 편리하다.

현재 세계적으로 기존 실리콘 계열의 발전모듈에서 인공위성 발전 기술인 3중 접합구조 발전모듈로 넘어감에 따라 이 교수의 독창적인 태양광 발전 기술은 대한민국의 우수한 인력을 양성하고 새로운 일자리를 창출하는데 기여할 것으로 기대된다.

IJSO위원회 회장 맡아 청소년 과학 잠재력 펼칠 수 있도록 노력

이 교수는 세계 60여 개국이 회원으로 있는 국제중등과학올림피아드(International Junior Science Olympiad(IJSO)) 위원회의 회장이기도 하다. 그는 지난해 12월 이란에서 열린 제 9회 IJSO 대회에서 IJSO위원회 회장으로 선출되었다. 국제중등과학올림피아드는 전 세계 15세 미만 청소년을 대상으로 과학 전 분야에 걸쳐 문제 및 실험 과정을 통해 학생들을 평가한다. 그가 위원회 회장직을 수행하면서 우리나라가 세계적인 중등과학의 메카로 자리매김할 수 있는 전략과 구체적 방안을 마련하는 데 큰 역할을 하게 될 것으로 기대된다.

이 교수는 “우리의 미래를 이끌어 갈 청소년들이 한자리에 모여 자신의 능력과 잠재력을 펼칠 수 있는 국제중등과학올림피아드가 될 수 있도록 새로운 개념의 과학 경연의 장을 만들도록 노력할 것입니다”라고 전하며 “고집광 태양광발전 분야에 있어서도 세계 최고의 기술력으로 국제 표준을 만들고, 대한민국이 선도적인 태양광발전 원천 기술을 계속적으로 확보하며 아울러 새로운 그린에너지 분야의 최고 인력양성의 허브가 될 수 있도록 최선을 다하겠습니다”라고 포부를 전했다.