미래 전장은 어떤 모습일까? 1g 태양전지의 기적으로 하늘을 날다

조회수 2020. 09. 22. 09:18 수정
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국방홍보원-국방과학연구소 공동기획 - 미래 전장 이끌 핵심 과학기술

단 1g 무게의 태양전지로 하늘을 날 수 있다면 어떨까. 상상을 현실로 만들어줄 기술이 코앞에 다가왔다. 국방과학연구소는 "하늘에 떠 있는 해의 빛을 이용해 배터리를 충전, 비행기를 운항할 수 있는 태양전지가 개발 중에 있다"고 밝혔다.

아래 이미지는 현재 사용되고 있는 고고도 태양광-배터리 무인기 EAV-3의 모습이다. 지난 2015년 ‘구글도 하지 못한 성층권 90분 비행에 성공했다’며 화제를 모은 한국항공우주연구원의 태양광 무인기다. 

이 무인기는 실제로 고도 18.5km의 성층권에서 90분 동안 비행하는 데 성공했다. 이에 나아가 착륙하지 않고 365일 하늘을 날 수 있는 무인 정찰기가 개발된다면 기상관측, 실종자 수색, 불법 어로 감시 등 다양한 분야에서 유용하게 활용될 것으로 보인다. 

출처: 한국항공우주연구원.
한국항공우주연구원 태양광-배터리 무인기 EAV-3.

1g 태양전지의 비밀

현재 개발된 EAV-3 무인기는 태양광 모듈과 배터리가 전체 기체의 60%를 차지하고 있다. 이는 비행 동력을 결정짓는 부분으로 장기 비행 능력의 핵심이라고 할 수 있다. 

따라서 태양광 모듈과 배터리의 무게 대비 효율을 높이는 것이 고고도에서 오래 비행할 수 있는 중요한 열쇠다. 무게 대비 효율이 높아진다면 같은 전력으로 더 오랜 시간 비행할 수 있고, 줄어든 무게만큼 배터리를 늘려 에너지 공급을 더욱더 안정적으로 할 수 있기 때문이다. 

출처: 국방과학연구소.
EAV 무인기의 배터리, 태양전지 무게.

1g 태양전지를 만드는 기술

성균관대학교 정현석 교수 연구팀은 비행기 동체 면적을 최대한 활용할 수 있는 유연 태양전지를 기반으로 크기 100제곱센티미터(㎠), 무게 1g 이하의 초경량 태양전지 기술을 개발하고 있다.

기존 단결정 실리콘 태양전지를 유연 태양전지로 대체한다면 무게와 구성 비율을 대폭 줄일 수 있게 될 것으로 보인다. 비행능력은 동체 무게에 영향을 받는데, 무거울수록 소비되는 에너지양 또한 커져 오래 비행할 수 없다. 연구팀은 유연 태양전지를 활용해 무게를 줄이고 배터리양을 늘림으로써 에너지 공급량을 높이는 연구를 진행하고 있다.

출처: 국방과학연구소.
페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지의 무게 대비 효율 비교.

이 밖에도 높은 하늘에서 오랜 시간 안전하게 날기 위해선 어떤 기술이 더 필요할까. 

정 교수 연구팀은 페로브스카이트 유연 태양전지의 무게 대비 효율에 주목하고 있다. 

위 이미지는 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지의 무게 대비 효율을 비교한 그림이다. W는 전력을, g는 무게를 의미한다. W/g는 같은 면적에서 얼마의 에너지를 생산할 수 있는지 무게에 대비해 나타낸 수치다. 

현재 EAV-3에 적용된 단결정 실리콘 태양전지 모듈의 경우 무게 대비 전력 생산량이 0.4W/g으로 매우 낮은 수준이다. 이에 반해 페로브스카이트 태양전지 모듈의 경우 2.0 W/g를 목표로 개발되고 있다.

또한 비행기 동체는 비행 효율을 높이기 위해 유선형 구조다. 실리콘 태양전지 모듈은 굴곡진 동체에 부착할 경우 그 활용이 제한적이라는 문제가 있었다. 이에 연구팀은 동체 면적을 최대한 활용하기 위한 유연 태양전지 기술을 연구하고 있다.

국방과학연구소는 "태양전지 무게가 무인 비행기의 비행시간과 직결되는 만큼 고효율과 가벼운 무게 두 마리 토끼를 모두 잡은 태양전지 개발이 중요하다"고 설명했다.

안승회 기자

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