-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

화공생명공학과 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.