한국이 최고라던 차세대 태양전지, 사우디·중국에 밀리기 시작했다[딥다이브]

한국이 세계 최고의 기술력을 지닌 분야라고 하면 뭐가 떠오르시나요. 메모리 반도체, OLED, 이차전지? 이것도 빼놓지 말아 주세요. 페로브스카이트 태양전지. 이름이 너무 어렵다면 이렇게 불러도 됩니다. ‘차세대 태양전지’. 기존 실리콘 태양전지의 한계를 뛰어넘을 미래 기술이죠.

한국이 꽤 오랫동안 기술을 리드해온 이 분야에 최근 지각변동이 일어났습니다. 후발주자인 사우디아라비아와 중국이 불과 1~2년 사이에 놀라운 속도로 치고 올라와 버린 겁니다. 이러다 기술 주도권을 놓칠까 걱정이라는데요. 태양전지의 미래와 기술 주도권 경쟁을 들여다보겠습니다.

차세대 태양전지가 오고 있다. 누가 이 시장을 선점할 것인가. 게티이미지

*이 기사는 19일 발행한 딥다이브 뉴스레터의 온라인 기사 버전입니다. ‘읽다 보면 빠져드는 경제뉴스’ 딥다이브를 뉴스레터로 구독하세요.
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‘마의 30%’ 벽 깬다

세계적인 테크 미디어 ‘MIT 테크놀로지 리뷰’는 해마다 가장 주목할 10대 미래기술을 선정합니다. 올해 초에도 10가지를 발표했는데요. 인공지능(AI), 애플 비전프로(VR 헤드셋), 체중감량 약물(위고비)처럼 가장 핫한 기술과 함께 이름을 올린 게 이겁니다. ‘초고효율 태양전지’. 기존 태양전지의 한계를 뛰어넘는 일종의 슈퍼 태양전지라 할 수 있죠.

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MIT 테크놀로지 리뷰는 ‘2024년 10대 미래기술’ 중 두번째로 초고효율 태양전지를 소개했다. 참고로 첫번째는 ‘모든 것을 위한 인공지능(AI)’.

여기서 잠깐. 지금 우리가 쓰는 태양전지는 광활성층(햇빛을 받아 전력을 생산하는 층)이 실리콘인 것 아시죠. 실리콘 태양전지는 1950년대 미국에서 처음 개발돼, 한때는 유럽·일본을 거쳐 한국에서도 꽤 잘 만들곤 했는데요. 지금은 90% 이상이 중국산입니다. 치킨게임을 거쳐 중국이 완전히 시장을 장악해버렸죠.

이 실리콘 태양전지엔 뚜렷한 한계가 있습니다. 이론적으로 광변환효율이 최고 29.4%까지밖에 나올 수 없죠. 전지에 닿는 햇빛양이 100이면, 그중 29.4까지만 전기로 변환할 수 있단 뜻인데요. 이미 효율이 26%, 27%짜리 태양전지가 나오고 있거든요. 그 말인즉슨 이제 곧 한계에 다다른다는 거죠.

효율이 높으면 당연히 더 작은 면적의 태양전지로 더 많은 전기를 만들어낼 수 있으니, 비용도 줄이고 설치공간도 아낄 수 있습니다. 효율 30%, 40% 이상의 태양전지를 만들 수 있으면 얼마나 좋을까요. 그리고 그 방법이 이미 나와 있습니다! 올해의 10대 미래기술로 꼽힌 초고효율 태양전지가 바로 그것이죠.

어떤 거냐고요? 구조는 간단합니다. 광활성층 두 가지를 겹쳐 쓰는 거죠. 실리콘 위에 페로브스카이트를 얹어 올리는 겁니다. 그러면 한계로 여겨졌던 ‘마의 30%’ 벽을 얼마든지 넘을 수 있습니다. 아마 40%까지도(이론 한계 효율 44%).

얼마나 유망한 기술인지 감이 오시죠. 그런데 한가지 큰 걸림돌이 있습니다. 페로브스카이트라는 이 신소재의 취약점이 있습니다. 수분과 열에 약해요. 태양전지는 비와 눈도 오는 야외에 설치돼야 하는데, 내구성이 떨어지면 쓸 수가 없겠죠. 그래서 보호층을 만들어서 내구성을 높이는 기술 개발이 진행 중이고요. 동시에 전지의 효율을 더 끌어올리려는 연구도 전 세계적으로 활발히 이어지고 있습니다. 그리고 그 중심에 한국이 있죠.

한국이 기술 선도국

‘페로브스카이트로 태양전지를 만들어보자’라며 연구를 가장 먼저 시작한 건 스위스였고요. 2009년 일본 연구진이 실제로 페로브스카이트 태양전지를 만들어냈습니다. 한국은 그보다 좀 늦게 이 분야에 뛰어들었는데요.

우리가 발견은 좀 늦어도 제조 기술은 탁월하지 않습니까. 페로브스카이트는 여러 가지를 섞어서 만들어야 하는데 그 최적의 제조방법을 2014년 한국화학연구원에서 만들어냅니다. 태양전지를 만들려면 필름에 페로브스카이트를 얇게 입혀야 하는데요. 아주 치밀하고 균일하게 박막을 만들어야만 높은 효율을 낼 수 있거든요. 바로 그 레서피를 찾아낸 거죠.

그 결과 페로브스카이트 태양전지 분야에서 한국이 신기록을 쓰기 시작합니다. 최고 효율 기록을 계속 갈아치운 거죠. 국제 공인을 거친 태양전지 최고 효율은 미국 국립재생에너지연구소(NREL) 차트에 기록되는데요. 한국화학연구원(KRICT)이나 울산과학기술원(UNIST) 같은 한국 기관이 지난 10년간 상당히 자주 등장합니다. 발표 시점 기준으로 세계 최고 기록을 세웠단 뜻이죠.

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UNIST가 개발한 페로브스카이트 태양전지. 페로브스카이트와 실리콘을 겹쳐 쌓으면 초고효율의 슈퍼 태양전지를 만들 수 있다. UNIST 제공

그래서 페로브스카이트 태양전지에선 한국이 여전히 기술력에서 세계 선두권이긴 한데요. 중요한 문제가 있습니다. 우리는 현재 실리콘 없이 페로브스카이트만으로 만든 태양전지에서만 앞서 나가고 있다는 거죠. 물론 그것도 참 대단하긴 한데요.

페로브스카이트만으로 만든 태양전지는 현재 최고 효율이 26% 정도이거든요. 실리콘 태양전지와 맞먹긴 하지만 ‘초고효율’까진 아니죠. 물론 앞으로 더 높아지겠지만, 그러기엔 시간이 한참 더 필요한데요.

결국 단기간 안에 ‘슈퍼 태양전지’로 가려면 앞에서 설명한 대로 페로브스카이트를 실리콘 위에 쌓아 올려야 합니다. 이걸 ‘페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지’, 줄여서 ‘탠덤 태양전지’라고 흔히 부르죠. MIT 테크놀로지 리뷰가 말하는 초고효율 태양전지가 바로 이겁니다. 다시 말해 2024년 지금 시점엔 ‘탠덤 태양전지’가 단연 대세입니다.

실리콘 태양전지야 이미 많으니까, 일단 우리가 페로브스카이트만 잘 만들면 실리콘 위에 올리는 거야 간단하지 않냐고요? 그럴 줄로 알았죠. 그런데 예상보다 훨씬 빠르게 경쟁자들이 치고 올라오면서 그렇게 마음 놓고 있을 수가 없게 됐습니다. 더 서둘러야 합니다!

무서운 사우디와 중국

2023년은 차세대 태양전지 분야에 대격변이 일어난 해입니다. 그 중심엔 사우디아라비아와 중국이 있죠. 사실 사우디와 중국은 이전엔 이 분야에서 존재감이 없던 국가들인데요.

사우디아라비아가 태양광 발전에 진심인 것 아시나요. 사우디엔 석유만 많은 게 아니죠. 일 년 내내 쨍쨍 내리쬐는 햇빛도 가진 나라인데요. 게다가 남아도는 땅(사막)도 많으니, 태양광 발전에 딱입니다. ‘포스트 석유시대’를 준비 중인 사우디는 태양광 발전을 대대적으로 늘린다는 계획이죠.

사우디는 차세대 태양전지 쪽을 키우기 위해 유럽 과학자를 스카우트하며 투자를 아끼지 않았는데요. 그 결과 사우디의 KAUST(킹압둘라과학기술대)가 태양전지 연구계에 혜성처럼 등장합니다. 2022년까지 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 태양전지의 최고효율기록이 독일의 HZB(헬름홀츠센터 베를린 연구소)가 세운 32.5%였는데요(참고로 한국의 탠덤 태양전지 효율은 아직 29.9% 수준). KAUST가 2023년 들어 33% 넘는 신기록을 내기 시작하더니, 지난해 6월엔 33.7%를 기록한 겁니다. 업계가 깜짝 놀랐죠.

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사우디아라비아 KAUST 연구원이 자체 개발한 탠덤 태양전지를 들어보이고 있다. KAUST 제공

그런데 더 충격적인 일이 일어납니다. 중국의 거대 태양광 기업 론지솔라가 갑자기 이름을 올리기 시작한 겁니다. 론지솔라가 탠덤 태양전지를 개발했다며 처음 기술을 공개한 게 지난해 5월인데요. 5월 31.8%, 6월 33.5%로 효율을 높여가더니 급기야 11월엔 세계 신기록을 갈아치웁니다. 공인 효율이 무려 33.9%. 론지솔라 창업자 리전궈 회장은 기록 수립을 자축하며 이렇게 말합니다. “중국 태양광 산업은 지속적인 기술혁신을 통해 계속 세계를 선도해야 합니다.”

그동안 각국이 차세대 태양전지 연구에 매진해온 배경엔 ‘또다시 중국에 뺏길 순 없다’는 생각이 자리 잡고 있었거든요. 실리콘 태양전지는 중국에 뺏겼지만, 미래 태양전지 기술은 그렇게 되도록 놔두지 않겠다는 의지였는데요. 경계 대상인 중국이 미래 신기술에서마저 빠르게 치고 나온 겁니다. 이만저만 큰일이 아닙니다.

지난해 11월 탠덤 태양전지 효율의 세계 기록 경신을 경축한 중국 론지솔라. 론지솔라 제공

기반도 관심도 부족하다

이런 상황을 어떻게 봐야 할까요. 페로브스카이트 분야에서 세계적인 석학인 석상일 UNIST 에너지화학공학과 특훈교수를 전화로 인터뷰했습니다. 10년 전 한국화학연구원에서 페로브스카이트 레서피를 만든 장본인이죠.

석상일 교수는 이렇게 얘기합니다.
“이제 우리나라가 차세대 태양전지 기술을 리드한다고 보기 어려울 정도로 분위기가 바뀌었습니다. 그동안 닦아온 기반이 있으니까 지금이라도 우리가 집중하고 협력한다면 따라잡을 수야 있겠지만, 이대로 1년만 더 머뭇거리면 상당히 어려워질 겁니다. 워낙 기술 진화 속도가 빠르니까요. 론지솔라의 기록도 불과 1년 만에 이뤄진 일이거든요.”

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차세대 태양전지를 연구하는 울산과학기술원 연구팀의 2017년 촬영 사진. 맨 왼쪽이 석상일 특훈교수. 동아일보DB

그럼 왜 분위기가 바뀐 걸까요. 석 교수는 한국의 기존 태양광 산업 기반이 무너진 데다, 정부 차원의 관심과 지원마저 시들해진 게 원인이라고 봅니다. 지금 단계에서 집중해야 하는 연구 분야는 단연 ‘탠덤 태양전지’인데요. 이건 페로브스카이트만 가지고는 개발할 수 없고, 실리콘 태양전지 쪽과 협력해야만 하거든요. 그런데 한국에선 연구용 실리콘 태양전지를 구할 수 있는 곳이 없다고 합니다. 그렇다고 중국 기업에서 들여오려니까, ‘너희가 연구한 걸 발표 전에 미리 보여달라’는 받아들이기 어려운 조건을 내걸고요. 탠덤 태양전지 연구를 하려고 해도 재료를 구하는 것부터 어려운 셈인데요. 아니, 예전엔 한국에도 실리콘 태양전지 만들던 좋은 기술자들이 참 많았는데 말이죠. 다 어디 갔느냐고요? 한국엔 설 자리가 없으니 해외로 많이들 나가버렸다고 합니다. 주로 인도 같은 데로 말이죠.

게다가 사우디아라비아처럼 정부 차원의 과감한 투자와 지원을 기대하기도 어려운 분위기가 되어 버렸습니다. 오히려 그 반대 상황이죠. 석 교수는 “정부가 태양광 쪽에 대한 드라이브를 많이 낮추면서 연구 지원도 소극적이 됐다”고 전하는데요. 그는 “연구자로서 좀 화가 난다”고 말합니다. “연구 현장에 있는 사람들은 정말 다들 열심히 하려는 의지로 가득 차 있는데, 뭔가 발목을 잡고 이러면 ‘내가 왜 이렇게까지 해야 하나’ 싶어요. 사실 에너지는 우리의 생존이 달린 분야잖아요. 정치와는 전혀 관련이 없는데. 이상하게 에너지가 정치화됐어요.”

한국화학연구원에서 차세대 태양전지를 연구하는 강봉주 선임연구원도 지금 상황이 안타깝다고 말하는데요. 얼마 전 올해 차세대 태양전지 관련 과제 연구비가 30~60% 깎였다는 통보를 받았습니다. 그는 이렇게 말합니다. “지금은 빠르게 치고 나가야 하거든요. 앞으로 5년 안에 상업화가 되느냐 아니냐가 굉장히 중요해요. 만약 5년 안에 못 해내면 자칫 또 실리콘 태양전지처럼 될 수 있거든요. 한국이 아주 잘하던 걸 다른 나라에 뺏겨버리게 될까 봐 그게 걱정입니다.”

그는 다른 연구자로부터 최근 들었다는 말도 덧붙입니다. “애국심으로 연구한다고 하시더라고요. 중국에 뺏길 순 없다고요.”

분발하는 일본

연구자들의 이런 한탄이 설득력 있게 들리는 이유가 있습니다. 옆 나라 일본은 차세대 태양전지에 대한 투자를 올해 들어 대폭 늘려 잡았는데요. 우리와 비슷한 상황(실리콘 태양전지 시장은 이미 중국에 뺏김, 페로브스카이트 기술은 일찌감치 개발)에서 다른 길을 걷기 시작한 거죠.

올해 일본이 이 분야에 배정한 예산은 548억엔(약 5000억원). 기업이 차세대 태양전지를 이른 시일 내 대량생산하도록 기술 개발을 지원한다고 합니다. 당장 2025년부터 양산에 들어간다는 상당히 야심 찬 계획입니다.

일본 정부는 ‘탈 중국’에 초점을 맞춰 페로브스카이트 태양전지 양산과 보급을 적극 지원하기 시작했다. 실리콘 없이 페로브스카이트만으로 태양전지를 만들면, 효율은 일반 실리콘 태양전지와 비슷한 대신 가볍고 얇고 구부러진다는 장점이 있다. 이르면 2025년 양산을 시작한다는 계획이다. 사진은 교토대 제공

그런데 한 가지 특이한 점이 있습니다. 일본은 일단은 ‘순수 페로브스카이트 태양전지’ 쪽에 집중한다는 겁니다. 실리콘 없이 말이죠. 태양광 자립, 즉 중국에 의존하지 않는 100% 국산화를 위해선 현재로선 그게 방법이라고 보기 때문인데요. 페로브스카이트의 핵심 원료는 요소인데, 이건 일본에 아주 풍부해서 조달 걱정이 없습니다. 희귀금속? 자원 민족주의? 그런 위험이 사라지죠.

다른 장점도 있습니다. 한국과 마찬가지로 일본도 국토가 좁아서 태양전지판을 넓게 펼쳐놓을 공간이 부족하잖아요. 그런데 페로브스카이트 전지는 아주 얇고 구부릴 수 있는 데다 투명하게도 만들 수 있어서 어디든 갖다 붙이면 되거든요. 곡면으로 된 고층 빌딩이라면 마치 선팅필름처럼 창문에 전지를 붙이면 됩니다.

또 제조 공정에서 그리 많은 전기가 필요 없다는 것도 일본 정부가 페로브스카이트를 지원하는 이유인데요. 지금의 태양전지는 실리콘을 만들기 위해 석영 암석을 1000도 넘는 고온으로 녹이는 데 엄청난 양의 전기를 쓰거든요. 그래서 전기료가 싼 중국이 세계 시장을 장악할 수 있기도 했는데요. 페로브스카이트는 필름에 얇게 펴 바르거나 증착시키는 방식으로 만드는 거라 그렇게 전기가 많이 들지 않습니다. 제조과정이 친환경적이죠.

물론 일본이 이렇게 가니까 그게 꼭 답이라는 건 아닙니다. 다만 일본 정부와 기업이 차세대 태양전지 주도권을 되찾겠다는 목표를 향해 손발을 맞춰서 열심히 나아간다는 점이 인상적인데요. 최근 월스트리트저널과 인터뷰한 일본 자원에너지청 이노우에 히로오 국장은 이렇게 말합니다. “우리는 (실리콘 태양전지) 기술에서 승리했지만 사업에서 패했습니다. 일본 기업은 액정디스플레이와 반도체 분야에서도 비슷한 일을 겪었죠. (차세대 태양전지에서는) 투자규모와 속도에서 뒤처지지 않도록 해야 합니다.”

이런 분발의 자세가 부러우면서도, 다른 한편으로는 이러다 일본에까지 추월당하게 될까 봐 조바심이 들기도 합니다. “차세대 태양전지는 우리가 우위를 계속 가져갈 수 있는 흔치 않은 분야다. 더 관심을 가져달라”는 석상일 교수의 당부를 대신 전합니다. By.딥다이브

MIT 테크놀로지 리뷰는 초고효율 태양전지가 3~5년 안에 실용화될 거라고 내다봅니다. 그렇게까지 먼 미래가 아닌 생각보다 가까이 와있는 기술인 거죠. 지금까지 한국이 연구 단계에선 꽤 오랫동안 잘 해왔지만, 과연 상용화에서도 치고 나갈 수 있느냐가 성패를 가르게 될 텐데요. 이대로 기회를 놓치는 일은 없었으면 하는 마음입니다. 주요 내용을 요약해드리자면

-신소재 페로브스카이트를 이용한 차세대 태양전지는 각광받는 미래 신기술입니다. 태양전지 효율을 대폭 끌어올려 ‘마의 30%’ 벽을 돌파할 수 있게 될 겁니다.

-페로브스카이트 관련 기술에선 그동안 한국이 세계 톱이었습니다. 하지만 지난 1년 사이 지각변동이 일고 있습니다. 후발주자인 사우디아라비아와 중국이 놀라운 속도로 치고 나왔습니다. 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 태양전지 분야에서 현재 세계 기록 1위는 중국 론지솔라, 2위는 사우디 KAUST입니다.

-분위기가 왜 달라졌을까요. 한국의 취약한 태양광 산업 기반, 정부의 태양광에 대한 관심과 지원 부족 때문이라는 게 연구자들 설명입니다. 전 세계가 이 분야에 대한 투자를 늘리는 상황에서 한국은 거꾸로 가고 있습니다. 이렇게 주춤하다가는 영영 따라잡지 못할지 모릅니다.

-반면 일본은 ‘태양광 국산화’를 목표로 정부 차원의 지원을 대폭 늘렸는데요. 비슷한 상황에 처한 두 나라의 다른 선택이 어떤 차이를 가져오게 될까요.

*이 기사는 19일 발행한 딥다이브 뉴스레터의 온라인 기사 버전입니다. ‘읽다 보면 빠져드는 경제뉴스’ 딥다이브를 뉴스레터로 구독하세요.
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한애란 기자 haru@donga.com