[녹색경제신문 = 박진아 유럽 주재기자] 안전하고 환경친화적인 신재생에너지 자원으로 꼽히는 태양광 에너지 발전 기술이 발전을 거듭하고 있는 가운데, 최근 영국의 명문 대학인 임피리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 연구진이 개발한 세계 최초의 인공 ‚태양광발전 이파리(photovoltaic leaf, 이하  PV-잎(PV-Leaf)‘가 차세대 태양광 에너지 기술로 주목받고 있다.

PV 잎 기술은 다가오는 2050년 이산화탄소 배출 제로 기후 조약 목표 달성 과제와 미래 저렴하고 깨끗한 전기 자원 발굴에 기여할 새로운 차세대 태양광 핵심 기술로 떠오르고 있다.

이 연구진의 업적은 자연 속에서 식물의 잎사귀가 태양광을 받아 광합성을 거치면서 이파리 표면으로 스스로 수분을 증발시켜 줄여나가는 이른바 ‚증산 작용(蒸散, transpiration)‘ 원리에서 영감받아 이 메커니즘을 태양광 패널 구조 설계에 응용한 생체 모방 증산 기술의 사례라는 점에서 특이하다.

식물 잎사귀의 생체 모방 증산 과정을 본딴 이 PV-잎은 기성 표준 태양광 집접 패널과 동일하게 가동된다. 가동 시 1) 전기 2) 신선한 물 3) 열에너지를 동시에 생산할 수 있어 태양광 집전판 시설을 가장 효과적이고 집약적으로 활용을 극대화할 수 있는 태양광 에너지 발전 솔루션이 될 것이라는 점에서 혁신적성이 돋보인다.

지난 수년 동안 전 세계 곳곳에 설치・가동돼온 기성 표준 태양광 집전판은 과열될 경우 내장된 태양 전지의 과다 발열로 에너지가 방출되고 출력 효율이 떨어진다는 것이 결정적 기술적 결함으로 지적돼왔다.

이번 임피리얼 칼리지 런던의 물리연구소 소속 과학자들은 자연 속 식물 잎사귀의 구조를 모방한 인공적 ‚생체모방 증산(biomimetric transpiration, 줄여서 BT)‚ 층(layer)을 설계・재구성해 태양광 집전판 과열 문제를 해결하는 데 성공했다.

연구진이 개발한 인공 PV 잎은 식물 잎의 구조를 그대로 모방한 생체모방 기술의 대표적 사례다.

PV 잎 디자인은 식물 이파리 서 발견되는 혈관 섬유 다발과 하이드로겔 성분과 유사한 스펀지 같은 세포를 결합해 구성한 구조를 띠며, 대나무 섬유질이나 액체 흡수성이 우수한 폴리머 하이드로겔 같은 저렴한 재료로 만들어진다.

자연을 모방한 생체 모방 디자인인만큼 에너지 발전을 위한 펌프, 환풍기, 제어 장치 등 값비싼 별도의 추가 기계적 설비가 필요 없어 저비용으로 손쉽게 투입가능하다는 것도 장점이다.

자연 속 식물 잎이 그러하듯, 이 인공 PV 잎은 섬유 다발 관을 통해서 물을 통과시키는 방식으로 과잉 발생된 열을 재분배하고 증발시키는 메커니즘으로 잎에 내장된 태양광 포집 셀 온도를 냉각・유지시킨다. 냉각수는 주변에 설치된 별도의 저수지로부터 PV 잎 표면으로 수동적으로 물이 흐르도록 수로가 설계된다.

이 과정에서 PV 잎은 잎 표면 냉각에 활용되고 발생하는 응축수를 활용해 담수를 생산할 수 있다.

2050년까지 글로벌 태양광 패널 설치 목표가 달성된다는 가정 하에 이론대로라면 이 공정을 통해서 평방미터당 시간당 1.1리터의 담수가 파생된다. 냉각수로 담수 외에 바닷물도 사용이 가능해 물 부족이 심각한 건조한 지역이나 해안 인근 지역에서 생활용수 또는 농업용수로 요긴한 수자원이 될 수 있다.

PV 잎 기술은 태양광을 이용한 신재생에너지 생산을 위한 비용 효율적이다.

특히 대규모 태양광 발전 시설을 모듈식 또는 대형 발전소 단지로 확장 설치할 경우 비용 효율성이 더 우수해진다. 태양광 발전 PV 잎을 상호 연결시켜 확장할 경우 설치 비용은 평방미터당 1,10달러로 기존 태양광 패널 추가 비용의 2%에 불과하다. 

또, 태양광 발전 개발업자는 한 번 설치된 PV 잎 설비 시설에서 6개월 내에 투자 금액을 회수할 수 있다는 점에서 수익성 면에서도 매력적이다.  

이 공정을 통해서 PV 잎은 에너지 발전 효율성을 10% 높이는 한편 기존 표준 태양광 패널에 비해 집전판 속 전지 과열로 인한 전기 방출을 70% 줄여주는 효과가 있다