똑똑한 소재, 기억력으로 에너지 효율을 높인다.

똑똑한 소재, 기억력으로 에너지 효율을 높이다.

대학생신재생에너지기자단 28기 정예빈

 

기존 에너지 전환 효율의 극복

전 세계적으로 친환경 에너지 전환이 가속화되면서 신재생에너지의 비율 확대가 주요 흐름으로 자리 잡고 있다. 한국 역시 같은 흐름 속에서 2024년 기준 신재생에너지 발전 비중이 10.6%, 발전량은 63.2TWh를 기록했다. 특히 태양광 설비의 확대로 처음으로 신재생에너지 발전 비중이 10%를 넘어서는 성과를 달성하며, 에너지 전환의 중요성이 한층 부각되고 있다. 그러나 여전히 태양광 패널을 비롯한 신재생에너지의 효율은 기대에 미치지 못하고 있는 실정이다. 태양광 전지의 이론적 효율은 30% 이상이지만, 상용화 가능한 수준으로 제작되는 태양광 전지의 에너지 전환 효율은 25% 안팎에 머무르고 있다. 기존 에너지원의 전환 효율 한계를 극복하기 위해 새로운 접근이 필요하며, 형상기억합금은 이러한 한계를 극복할 수 있는 열쇠로 주목받고 있다. 형상기억합금을 비롯해 에너지 전환 효율을 높이는 스마트 소재에 대해 살펴보자.

 

형상기억합금이란

형상기억합금(SMA, Shape Memory Alloy)이란 온도의 변화에 의해 변형된 형상이 다시 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 금속 재료이다. 물리적인 힘을 가해 모양이 변형이 되어도 특정 온도 조건으로 가열하면 다시 원래의 모양으로 되돌아오는 매우 큰 복원력을 가지고 있다. 이러한 성질 덕분에 형상기억합금은 소성변형 없이도 상변태(Phase transformation)에 의해서 10%에 이르는 큰 변형률을 나타낼 수 있으며, 온도나 하중의 변화에 의해 초기 탄성 상태로 돌아오는 초탄성 거동이나 잔류 변형률이 존재할 때 온도 변화에 의해 원래 상태로 돌아가는 형상기억효과를 나타낸다.

대표적인 형상기억합금은 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금-티타늄(Ni-Ti) 계열의 니티놀(nitinol)이다. 니티놀은 단위 부피당 많은 에너지를 낼 수 있고, 내부식성과 생화학적 적합성이 뛰어나다. 긴 사용 수명을 갖기 때문에 작동기(actuator)로서 우수한 특징을 갖는다.

형상기억합금의 특성은 우리 일상에 여러 방면으로 활용된다. 일반적으로 형상기억효과는 고온에서 작용하는데, 휴대폰의 안테나와 안경테 등은 실온에서 초탄성 효과가 나타난다. 앞서 말한 니티놀의 생체적합성은 의료용 스탠스, 치아 교정기 등으로도 활용되며, 고온의 환경을 견디며 스스로 극복할 수 있는 형상기억합금의 경우 위성 안테나, 항공기 날개 제어 등으로도 활용된다. 
이처럼 뛰어난 복원력과 초탄성 거동을 지닌 형상기억합금은 단순한 생활 속 소재를 넘어, 신재생에너지의 효율성 향상 분야에서도 활발히 연구되는 소재이다.

 

태양광 전지의 효율 향상

(1) 스스로 태양광을 추적하다

신재생에너지의 대표적인 한계는 ‘간헐성’이다. 태양광 발전의 경우 태양이 떠 있는 낮에만 발전이 가능하며, 낮 동안에도 그늘이나 태양의 각도 변화로 발전량이 크게 달라진다. 이러한 문제 해결에 형상기억합금이 활용될 수 있다.
2024년 7월, 한국전기연구원(KERI) 차승일 전기변환소재연구센터 책임연구원 연구팀은 도시 환경에 적합한 고효율 유연 태양광 모듈을 개발했다고 발표했다. 기존 태양광 모듈은 건물이나 나무 그늘이 생기면 발전 효율이 저하될 뿐 아니라, 전류가 그늘진 곳으로 모여 열이 발생하는 핫스팟 현상으로 화재 위험까지 초새한다. 이에 연구팀은 태양전지에 형상기억합금을 부착해 모듈이 모양을 최적으로 바꿔 태양 위치를 스스로 따라가며 전기를 생산하는 일명 ‘해바라기’기술을 적용해 효율성을 높였다. 이 방식은 기존 평판형 모듈 대비 하루 전력 생산량을 60% 이상 향상시키며, 별도의 외부 장치 없이 일체형으로 태양 추적 기능을 제공한다.

(2) 스스로 패널을 청소하다

또 다른 한계는 패널 표면에 쌓이는 먼지다. 이물질이 쌓이면 광선 투과율이 떨어져 발전 효율이 최대 30~40%까지 감소한다. 기존의 세척은 물 세척, 인력 청소, 또는 로봇을 이용한 브러싱 방식이 사용되었지만, 비용 증가와 패널 손상 문제가 뒤따랐다. 이에 대한 대안으로 형상기억합금을 활용한 ‘셀프 클리닝 시스템’이 연구되었다. 패널 표면 아래 혹은 테투리에 형상기억합금 와이어나 스프링을 부착해 외부 전류나 태양열로 수축과 복원을 반복하며 청소하는 방식이다. 연구에 따르면, 이 시스템은 최대 95% 이상의 먼제 제거 효율을 달성했고, 별도의 물과 세제가 필요없는 친환경적인 청소 기술로 태양광 발전의 효율 저하를 효과적으로 방지했다.

 

에너지 효율을 높이는 스마트 소재

압력이라는 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 압전 소자는 ‘에너지 하베스팅’ 기술에 활용될 수 있다. 에너지 하베스팅이란 일상에서 버려지는 빛, 열, 진동, 압력 등을 수확하여 전기로 변환하는 기술이다. 압전 소재는 외부에서 일시적으로 혹은 지속적으로 가해지는 충격으로 변형 진동이 일어나고, 압전효과에 의해서 교류 전류가 발생한다. 이를 이용한 압전 소자는 건물, 교량과 같은 태령 구조물, 도로와 차량의 진동, 그리고 풍력, 파력 등 자연 에너지원으로부터 잉여 에너지를 효과적으로 회수할 수 있다.

광촉매는 빛을 받아 촉매반응을 일으키는 물질로, 유해 물질을 무해한 물과 탄산가스로 분해한다. 별도의 에너지원 없이 빛만으로 유기·무기 화합물을 분해할 수 있어 수질 정화, 탈취, 항균 등 환경 분야는 물로 수소 에너지 생산에도 주목받고 있다. 현재 수소의 대부분은 천연가스의 주성분인 메탄을 고온에서 처리하는 열화학적 방법으로 생산되는데, 이 과정에서 온실가스, 타르와 같은 2차 오염원이 발생한다. 이에 반해, 광촉매를 이용한 물 분해 기술은 태양광을 에너지원으로 이용해 경제적 부탐이 적고, 청정 수소를 생산할 수 있는 대안으로 평가된다.

또한, 초전 소재(Pyroelectric Material)는 온도 변화에 따라 전하가 발생하는 성질을 갖는 물질로, 낮에만 전기가 생산되는 태양광 발전의 한계를 보완할 수 있다. 낮과 밤의 온도 차를 활용해 지속적인 전력 생산이 가능하기 때문이다.
이렇듯 기존 에너지원의 한계를 극복하고 에너지 전환 효율을 높이는 것은 필수적이며, 스마트 소재 연구는 그 해법으로서 그 중요성이 점점 더 커지고 있다.

---

8월의 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "재생에너지 시대, 장주기 ESS의 중요성", 23시 김경훈, 27기 박지은, 조희선, 28기 정성엽, 홍서연, https://iksung.tistory.com/79

2. "플라스틱 재활용이라 해도 다 같은 것이 아니다", 23기 김태현, 25기 김해원, 27기 박희원, 28기 민예슬, 이건혁, https://iksung.tistory.com/60

---

참고문헌 

[ 기존 에너지 전환 효율의 극복 ] 

이상호,“상용 태양광 전지 에너지효율 '30%' 한계 돌파하나, 유럽 연구진 달성 성공”,Business Post,2023.07.07.,https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=320532

옥기원,““2035년 전에 재생에너지 전환해야”…15개국 기업인 78% 지지“,한겨례,2025.04.28.,https://www.hani.co.kr/arti/society/environment/1194665.html

[ 형상기억합금이란 ]

이인,”형상기억합금의 특성 및 응용“,기계저널,34p~39p,2004.06.01.,https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200411922443717.pdf

옥기원,““2035년 전에 재생에너지 전환해야”…15개국 기업인 78% 지지“,한겨례,2025.04.28.,https://www.hani.co.kr/arti/society/environment/1194665.html

“세계 신재생에너지 동향”,외교부,2016.08.19.,https://overseas.mofa.go.kr/viewer/skin/doc.html?fn=file_20160819230850111_0&rs=/viewer/result/202509

“신재생에너지 발전비중 최초 10% 돌파”,산업통상자원부,2025.05.11.일https://www.motie.go.kr/attach/down/095a2dda9c864e1d90d751f7668a1117/c666c4a547e858ff437792b958ba1732/9a9db098b587ee18b321c826f3707a49

“신재생에너지 첫 10% 돌파!”, 에너지정보문화재단,2025.05.16., https://blog.naver.com/energyinfoplaza/223867349575

Brianne Christopher,“The Elephants of Materials Science: SMAs Never Forget Their Shape”,COMSOL Blog,2018.05.11.,https://www.comsol.com/blogs/the-elephants-of-materials-science-smas-never-forget-their-shape/

[ 태양광 전지의 효율 향상 ]

김소희,“KERI, 자급자족 가능한 '고효율 유연 태양광 모듈' 개발”,데일리안,2024.07.10.,https://www.dailian.co.kr/news/view/1381552

이병구,”태양광 모듈 패러다임 바꿨다…"해바라기처럼 태양 따라가며 발전",동아사이언스,2024.07.10.,https://www.dongascience.com/news.php?idx=66404

“한화큐셀 태양광 패널의 강점! 이거 몰랐다면 손해!”,청아에너지, 2025.04.03, https://blog.naver.com/chase5484/223817487569 

홍종현,“태양전지 효율의 한계를 극복한 기술!”,YTN사이언스,2021.06.03.,https://science.ytn.co.kr/program/view_hotclip.php?mcd=1394&key=202104151804423947

Ahmad Yaser Alhaddad,“Characterization of water-controlled shape memory alloys for solar tracking applications”,Discover Applied Sciences,2024.07.31.,https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s42452-024-05992-1.pdf

[ 에너지 효율을 높이는 스마트 소재 ] 

“광촉매”,한양위키,2021.04.12.,https://hyu.wiki/%EA%B4%91%EC%B4%89%EB%A7%A4

이정은,“광촉매를 이용한 청정 수소에너지 생산”,청솔뉴스,2020.08.03., https://www.pinenews.co.kr/38165

정영훈,“압전 에너지 하베스팅 기술”, 전기의 세계 63권, 9호, 18p~22p, 2014, https://koreascience.kr/article/JAKO201428941870951.pdf