참가업체

2020NANOPIA아이디어톤 참가신청

참가신청서

2020-09-18 15:22:39 39 0
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본문

참가분야
나노기술관련 전분야
아이디어톤 주제
차세대 투명 그래핀 태양 전지
성명(팀명)
ASM (Advanced Semiconductor and Materials)
참가자정보
이름
박*원
소속
연세대학교
부서
공과대학 기계공학과
휴대전화
010****6471
이메일
goo**@**er.com
개발동기 및 목적
코로나로 인해 언택트 시대가 도래하면서 오늘날 에너지에 대한 수요도가 급격히 증가하고 있습니다. 더 나아가 그린 에너지 정책 시행과 함께 전세계적으로 친환경 에너지의 중요도가 커지고 있습니다. 저 또한 혁신적인 아이디어를 통해 새로운 에너지 패러다임에 동참하고자 합니다. 저는 과거 방글라데시 고팔바리 소수민족에게 태양광 설치 작업을 한 적이 있습니다. 당시 설치 작업 중에 태양광 전지를 설치하면서 주변의 풀과 나무들을 베어 내는 작업을 했는데 과연 태양광 패널 설치가 정말 친환경적인가에 대해 많은 의문이 생겼습니다. 이 사건을 계기로 기존의 태양광 전지가 갖고 있는 문제점들을 돌아보게 되었습니다. 제가 경험한 것처럼 실제로도 환경 훼손 문제가 굉장히 큰 문제로 거론되고 있는 것을 확인하였습니다. 상당한 양의 산림 훼손이 존재하고 더 나아가 이로 인해 주변에 산사태가 빈번하게 발생하다고 보고되었습니다. 뿐만 아니라 환경 오염문제도 굉장히 심각할 것으로 전망하고 있습니다. 지금 사용하는 태양광 패널을 2050년까지 계속 사용하게 될 경우 7800만톤의 폐기물이 발생하며 더 나아가 카드뮴, 납, 크롬과 같은 중금속으로 인한 중금속 오염도 예상되고 있습니다. 이를 해결하고자 저는 태양광 패널 내의 태양광 전지를 투명하게 개발해보자는 목표를 갖게 되었습니다. 이에, 다양한 연구 경험을 토대로 그래핀을 활용한 투명한 필름 형태의 태양 전지를 제작하고 있습니다.
출품과제의 기술 설명
오늘날, 정보화 사회를 이끌어 간 주역은 실리콘입니다. 1947년 실리콘 트랜지스터가 발명된 이후를 Silicon Age라고 부를 정도로 실리콘은 인류의 생활과 일상에 상당한 변화를 가져왔습니다. 하지만, 제4차 산업혁명 시대를 앞둔 지금 실리콘의 성능적 한계를 극복할 뛰어난 물질들에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있습니다. 그 중에서도 그래핀은 다방면에서 실리콘보다 훨씬 더 우수한 물성을 갖고 있어 차세대 소재로 크게 주목 받고 있습니다. 하단의 표에 정리된 것과 같이 그래핀의 우수성을 활용해 그래핀 태양 전지를 제작할 수 있습니다. 먼저, 그래핀 자체를 PECVD를 활용해 얇고 투명한 필름 형태로 합성한 후 투명한 오가닉 레이어에 올리고 여기에 전자, 정공이 이동할 수 있는 추가 레이어를 증착하는 형식으로 제작이 가능합니다.

  현재까지 상용화되어 시장에서 판매되고 있는 태양광 전지들은 대부분 실리콘을 기반으로 만들어진 것입니다. 실리콘 PN 접합을 활용해서 태양 전지를 만들고 이것을 패널 형태로 만들어 판매하고 있습니다. 그러나 그래핀을 활용한 투명 태양 전지의 경우 그래핀 자체가 투명하고 플렉시블하기 때문에 기존의 직사각형이 아닌 다양한 형태로 태양광 패널을 만들 수 있습니다. 또한 유리 자체에 부착하기 때문에 유리로 된 모든 부문에 응용이 가능합니다. 이런 특징들 때문에 그래핀 태양 전지는 융복합적인 새로운 시장을 형성할 것으로 예상합니다.

  투명한 태양 전지의 환경적 효과는 상당할 것입니다. 국가환경교육센터에 의하면 국내 전기 생산량의 상당부분을 화석에너지에 의존하고 있으며, 기타 친환경 에너지 의존도는 5%가 되지 않습니다. 친환경 에너지 인프라 확보 및 대중화에 어려움이 있기 때문입니다. 그러나 그래핀 태양전지를 유리에 응용한다면 어려움들을 극복할 수 있습니다. 예를 들어 건물 시공 시 유리 자체에 태양 전지를 설치하여 전기를 공급할 경우 추가적인 인프라 확보 없이도 전체 전기 생산량 대비 친환경 에너지 의존도를 상당히 증가 시킬 수 있을 것입니다. 이 외에도 전기차에 응용이 가능하다는 장점이 있습니다. 오늘날 전기차 보급이 가속화되면서 전지 효율과 총에너지 효율은 중요한 해결과제입니다. 만일, 전기차에 태양 전지가 부착된 유리를 설치한다면 총 에너지 생산량이 증가하면서 에너지 저장율도 증가하므로 에너지 효율성을 높일 수 있습니다. 뿐만 아니라 전체적인 전기 생산 단가가 낮아짐에 따라 전기료가 없어지거나 크게 감소한다는 추가적인 장점도 있습니다.

  그래핀을 필름 형태로 개발하기 위해서는 그래핀의 대면적 생산이 가능해야합니다. 현재 CVD 장비 또는 PECVD 장비로 그래핀 기반 대면적 성장이 가능합니다. 특히, 상대적으로 PECVD의 경우 저온 성장이 가능하기 때문에 투명한 기판에 바로 성장시킬 수 있어서 비즈니스 모델로 적합하며 시중의 패널 구성 요소들을 활용할 경우, 투명한 그래핀 태양 전지 개발 및 판매가 가능할 것입니다. 가격 경쟁면에서 우위를 점하기 위해서는 화학박리법을 활용한 그래핀 압착방식을 사용할 수 있습니다. 작은 사이즈의 그래핀을 얇게 압착시켜 하나의 넓은 그래핀을 만드는 방식으로, 대면적 생산 그래핀에 비해 가격이 훨씬 낮습니다. 따라서, 해당 기술로 제작할 경우 기존의 태양 전지 300W 모델과 가격 차이가 크지 않을 것으로 예상합니다.

 투명한 그래핀 태양전지가 상용화 된다면 ‘에너지 확보‘라는 목표가 사실상 많은 부분 성취되기 때문에 환경에너지 분야에 혁신적인 패러다임 변화가 있을 것입니다. 대부분의 화석연료 에너지가 친환경 태양 에너지로 대체될 것이고 이로써, 인류가 환경 문제에서 크게 벗어날 수 있게 될 것이라 예상합니다.

행사장에는 기본적으로 테이블 1개, 무선와이파이(공용)는 제공됩니다. 시설물 이외에 캡스톤 작품을 구동시키기 위해 필요한 사항을 ‘필요사항’에 작성하기 바랍니다.
위에 작성하는 내용은 행사 준비 시 필요한 내용으로 서류 제출 후 수정 불가합니다. 정확하게 작성하여 주시기 바랍니다.
기타 문의사항은 이메일(office@nanopia.org)로 하시기 바랍니다.
참가기한은 ~ 2019년 10월 16일(수) 까지입니다.