광주과학기술원 웹진

지구의 건강한 미래를 위한 에너지 연구
차세대에너지연구소

지구와 인류의 지속가능한 미래를 담보하기 위해 출범한 ‘신(新) 기후 체제’하에서 미래 에너지 문제에 효과적으로 대응하기 위해서는 에너지산업의 패러다임을 주도할 수 있는 에너지 신기술의 확보가 필수적입니다.
지스트는 태앙광 에너지 보급 확대와 미래 에너지산업의 성장을 주도할 핵심 기술 개발을 위해 차세대에너지연구소(RISE)를 설립했습니다. 현재 태양전지연구센터와 화학전지연구센터, 플라스틱 일렉트로닉스 연구센터, 미래전력망 연구센터를 중심으로 청정에너지 생산, 저장, 전송, 관리의 고효율화를 위한 연구를 활발히 수행 중입니다.
나아가 보다 전문적이고 심도 있는 연구개발을 위해 노벨 화학상 수상자이신 Heeger 교수와 Ertl 교수를 모시고 ‘히거 신소재 연구센터’ 및 ‘Ertl 촉매연구센터’를 설립하여 유기태양전지와 연료전지 및 촉매 분야에서 공동연구를 진행 중입니다. 또한 영국의 Imperial College London, 미국의 University of California Santa Barbara와 협력관계를 구축하여 국경을 초월한 공동연구 기반을 마련했습니다.

차세대에너지연구소는 차세대 고효율 태양전지, 청정 수소 생산, 수소연료전지, 에너지 저장장치 및 고도로 지능화된 에너지 네트워크 분야에서 핵심원천기술을 개발하고 산학연계를 더욱 강화하여 에너지신산업 활성화에 기여하고자 합니다. 특히 생활밀착형 유연·반투명 태양전지 개발, 에너지 저장용 혁신소재 및 융복합 저장 디바이스 개발, 빅데이터/AI 기반 스마트 에너지 운영 기술 개발, 구조물 부착형 차세대 태양전지 미니 발전소 실증시스템 개발 등 차세대에너지 기술의 상용화에 앞장서며 세계적인 연구의 산실로 발돋움하고 있습니다.

유연투명전극을 활용한
차세대 유연유기태양전지를 개발하다
우리나라는 활발한 도시 개발로 인해 해외처럼 넓은 부지를 활용한 태양광 발전이 어렵기 때문에 좁은 면적을 효율적으로 이용할 수 있는 태양광 발전기술, 다시 말해 도심 구조물 및 건축물에 설치하더라도 주변 경관과 심미적 조화를 이루는 태양전지 제조기술은 매우 중요한 이슈입니다.
차세대에너지연구소에서 개발한 유연유기태양전지는 유기 고분자, 금속할라이드 반도체 등 용액공정이 쉬운 물질로 구성되어 있으며, 광활성 재료의 물질 설계에 따라 다양하게 색상 조절이 가능합니다. 이러한 이점을 십분 살려 용액공정을 기반한 인쇄 및 가공 기술이 적용된 낮은 단가의 생산기술을 개발하고 태양광 가시광선 영역의 흡수는 낮추면서 자외선과 적외선 파장대를 선택적으로 흡수하는 반투명 및 다양한 색상의 태양전지를 개발하고 있습니다.
또한 유연성(여러 건축물에 부착 가능한가), 심미성(아파트 등 주민수용 건축물에 부착하더라도 주변과 조화롭게 어우러지는가), 전력변환 효율성(실리콘 태양전지와 비교했을 때 큰 차이 없이 전력을 생산하고 공급할 수 있는가), 안정성(고분자 소재에 치명적인 대기에 노출되었을 때 효율 저하를 방지할 수 있는가) 측면 등 유기태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 다양한 주제로 연구를 진행하고 있습니다.

차세대 유연소자를 위한
고성능 유연 투명전극을 개발하다
기존 전자기기 반도체에 사용되는 딱딱한 구조의 ITO 투명전극은 최근 각광 받는 유연전자소자에 적용하기 어렵습니다. 이에 따라 차세대에너지연구소는 이를 대체할 수 있는 초박막형 유연투명전극을 개발하고 있습니다. 유연투명전극은 디스플레이, 터치패널, 태양전지 등의 산업에 전극 기판으로 널리 이용될 수 있으며 헬스케어, BIPV, 플렉서블 터치스크린, 스마트 조명 등 투명전자제품에 적용되는 전극에 사용 가능한 4차산업혁명의 핵심소재입니다.
차세대에너지연구소는 유기물 기판상에 고전도성 금속박막을 광의 투과율이 저하하지 않을 정도로 얇게 도포하는 혁신적인 기술을 적용한 고품위 투명전극 제조가 가능합니다. 이 투명전극은 높은 광투과율과 전기전도 특성(광투과도 ~95%@550nm, 면저항 ~ 10Ω/sq), 우수한 곡률반경을 가지고 있어 지속되는 굽힘에도 균열이나 박리가 발생하지 않아 이를 유연유기태양전지에 적용하고 있습니다.

인공지능을 활용한 비접촉식 전력사용량 모니터링을 통한
효율적인 에너지 관리 플랫폼을 구축하다
에너지 소비환경에 따른 관심이 증대됨에 따라, 전력시스템 내부의 다양한 전기기기를 관리하기 위해서 전력사용량 모니터링 시스템 구축이 필요합니다. 마이크로그리드의 효율적인 에너지관리 연구를 위해서는 모든 세부 전력을 측정하는 것이 이상적이지만, 이를 위해서 다수의 센서를 설치해야 하며 또한 유지 관리하는 데에도 어려움이 있습니다.
차세대에너지연구소는 스마트미터에서 측정되는 전력 데이터로부터 하위 부하의 전력 프로파일을 추정할 수 있는 비접촉식 전력사용량 모니터링 기술을 개발했습니다. 개발된 기술은 인공지능 기반으로 시간-주파수 마스크를 추정하는 접근 방법을 통해 하위 부하 전력 사용량의 추정 정확도를 높였습니다. 이 기술은 상위 부하의 데이터만 측정하기 때문에, 하위 부하의 센서 구축 및 데이터베이스 증설 비용 등을 절감할 수 있을 것으로 예상됩니다. 그리고 향후 에너지 관리를 위한 ICT 융합 플랫폼에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

고성능 에너지 저장소자 개발을 통한
효율적인 신재생에너지 활용의 길을 열다
신재생에너지의 효율적인 활용을 위해 신재생에너지의 불규칙한 발전량을 보완하여 수백 kWh 이상의 전력을 저장하는 단독 시스템인 ESS가 주목받고 있습니다. ESS는 불규칙적으로 생산되는 신재생에너지를 저장했다가 전력의 수요가 많을 때 사용함으로써 가정, 공장, 기업 등 다양한 곳에서 신재생에너지의 활용도를 높여줄 수 있습니다. 따라서 높은 안전성, 용량, 출력을 갖는 ESS의 개발이 필수적입니다.
최근 차세대에너지연구소는 ‘에너지 저장 혁신소재와 융복합 저장소자 개발’을 통하여 새로운 에너지 패러다임에 도전하고 있습니다. 실리콘 및 리튬 음극 개발을 통한 고성능 리튬이온전지를 연구하고 있으며 동시에 다공성 탄소 소재 합성 기술 개발을 통한 고성능 슈퍼커패시터를 개발하는 연구를 진행하고 있습니다. 또한 인시투(in situ) 분석 기법으로 에너지 저장소자의 열화 메커니즘을 분석하고 그 원인을 해결하여 소자의 성능을 개선하는 연구를 진행하고 있습니다. 최종 목표는 고성능 에너지 저장소자와 태양전지를 일체형으로 결합하여 융복합 저장소자를 개발하는 것입니다.