차세대 전극 개발한 엠에스웨이 “투명전극계 테슬라 될 것”

태양광 발전을 두고 친환경적이지 않다는 비판이 나오고 있다. 태양광 폐패널 때문이다. 산업통상자원부와 환경부에 따르면, 2025년 예상 태양광 폐패널 배출량은 2만3292톤을 기록할 것으로 예상된다. 보통 폐패널을 처리하기 위해 매립하는 방법을 택하는데, 폐패널에는 중금속이 함유돼 있어 환경오염이 불가피하다.

엠에스웨이는 이를 해결하기 위해 매립하는 태양광 패널이 아닌 어디에든 부착할 수 있는 태양광 유연 투명전극을 개발하기 시작했다. 유연 투명전극을 사용하면 건물 창문, 자동차 창문 등 다양한 곳에 부착할 수 있다. 또한 두께가 얇기 때문에 폐기물을 적게 만들어낸다. 엠에스웨이가 투명전극 ‘나빌(Nabil)’을 개발한 이유도 이 때문이다.

엠에스웨이가 이번에 개발한 것은 페로브스카이트 태양전지용 유연 투명전극이다. 쉽게 말하면 가장 최근에 개발된 태양전지에 적용할 수 있는 투명 전극을 개발한 것이다. 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지이지만, 전극을 손상시킨다는 한계를 가지고 있었다. 엠에스웨이는 이 한계를 극복한 재료를 개발했다고 1일 밝혔다. 이번 연구에 함께한 홍상범 엠에스웨이 전무와 만나 통해 태양전지 시장과 투명전극에 대한 자세한 이야기를 들어봤다.

핵심은 ‘요오드 잡기’

태양전지는 3세대에 걸쳐 발전했다. 각 세대 태양전지를 살펴보면, 1세대는 현재 널리 사용되고 있는 실리콘 태양전지가 해당된다. 실리콘 특성상 빛 에너지를 전기에너지로 수월하게 바꿀 수 있어, 태양전지 재료로 적합하다. 하지만 1000도 이상의 고온에서 제조해야 하며, 제조 과정과 결정구조가 복잡하다는 단점이 있다.

한계를 극복하기 위해 연구진은 처음에는 단순히 실리콘 태양전지의 결정구조를 변형해 2세대 태양전지를 개발하고자 했다. 하지만 상황은 녹록치 않았다. 뚜렷한 성과를 내지는 못했고, 사업의 방향을 전환하는 쪽으로 가닥을 잡았다.

그 후 개발된 전지는 페로브스카이트 유기태양전지다. 이 전지는 3세대 태양전지라고 불린다. 페로브스카이트는 실리콘만큼 빛 에너지를 전기에너지로 수월하게 바꾸면서도, 결정구조도 정육면체 모양으로 실리콘에 비해 단순하다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 제작 과정이 수월하고, 비용도 적게 든다.

하지만 이 또한 한계가 있었다. 페로브스카이트에는 요오드라는 물질이 들어가 있는데, 이 물질이 곳곳에 침투해 태양전지 전극을 손상시킨다. 또한 일반적으로 투명전극, 하면 ITO라는 유리기판이 사용되는데, 이는 부피가 크고 무거우며 쉽게 깨진다.

엠에스웨이는 이를 극복하기 위해 요오드가 침투할 수 없는 구조로 전극을 만들었다. 이를 통해 요오드가 전극을 손상시킬 수 없도록 했다. 홍상범 전무는 “엠에스웨이는 페로브스카이트 유기태양전지에 탑재해도 손상되지 않을 투명전극을 개발했다”며, “이번 투명 전극은 130마이크로미터 수준으로 매우 얇고 가볍고, 손상되기 쉬운 ITO가 포함되지 않아 기존 한계를 극복했다”고 말했다.

1000번의 테스트, 18.6% 광전변환효율 달성

엠에스웨이가 페로브스카이트 태양전지용 투명전극을 만드는 과정은 쉽지 않았다. 홍상범 전무에 따르면, 전극의 종류는 매우 다양한데, 특정 전지에 최적화된 전극을 찾기 위해서는 모두 시행착오를 거칠 수밖에 없다. 이를 찾기 위해 연구원은 하루에 30개의 조건을 두고 실험했다. 한 달에 1000개의 조건을 테스트해본 것이다. 이 과정에서 시간과 제조 비용이 많이 들었다.

하지만 홍 전무는 “좋은 결과가 나올 것이라는 확신이 있었기 때문에 엠에스웨이도 비용을 충당해가면서 이 같은 실험을 진행했다”고 말했다. 또한, 실제 성과가 조금씩 나타나고 있다. 지난 10월 25일 정부 산하 인증기관 시험성적서에 따르면, 해당 재료의 광전변환효율(빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 효율성)은 18.6%이다. 엠에스웨이 측에 따르면 투명전극 시장에서 경쟁사가 개발한 투명전극 광전변환효율은 17.5%다.

홍상범 전무는 “엠에스웨이의 투명전극이 주요 경쟁사의 ITO 투명전극보다 전기적 성능, 광학적 성능뿐만 아니라 부착력, 경도 등 양산에 필요한 성능도 모두 우수하다”며 “자사 투명전극을 이용해 더 높은 효율의 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있을 것”이라고 말했다.

언젠간 커질 시장, “기술특례 상장할 것”

아직 3세대 태양전지가 양산되고 있지는 않다. 하지만 홍 전무는 이 시점에서 3세대 태양전지 시대를 대비해야 하고, 적어도 약 5년 뒤에는 3세대 태양전지 시장이 활성화된다고 보고 있다. 홍상범 전무는 “테슬라가 5년 전부터 전기차 이야기를 했지만, 당시에는 전기차 시장에 관심을 가진 사람이 적지 않았냐”며 “마찬가지로 페로브스카이트 태양전지 시장도 지금은 이른 감이 있지만, 5년 뒤에는 활성화될 것”이라고 전망했다.

엠에스웨이는 내년 1분기까지 원가를 2배 절감한 모델을 개발할 예정이다. 엠에스웨이는 그간 가격보다 기술 개발에 주력해 왔는데, 고객사와 협업하며 원가를 낮추는 데 팔을 걷기 시작했다는 것이 홍 전무의 설명이다. 또한 전력 효율을 높이기 위해 저항도 현재 개발된 제품보다 4배 정도 낮출 계획이다. 마지막으로 습기를 막는 봉지재에 전극을 탑재하는 기술과 반투명 태양전지용 전극도 2023년까지 개발할 예정이다.

엠에스웨이는 내년 하반기에 기술특례로 상장예비심사를 신청할 계획이다. 홍상범 전무는 “기술특례 상장 여부가 매출에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 그 과정을 필수로 지나야 한다”며 “내년 상반기 안으로 기술사업성 평가와 지정감사를 받을 예정”이라고 말했다.

또한, 엠에스웨이는 원천특허를 가지고 있는 자회사 원스와 합병도 진행중이다. 현재 원스 지분구조를 살펴보면 엠에스웨이가 90%, 광주과학기술원이 10% 차지하고 있는데, 해당 합병이 완료되면 광주과학기술원이 엠에스웨이 주주가 될 예정이다.

글. 바이라인네트워크
<배유미 기자> youme@byline.network