환경 이야기2011.10.20 11:11
우리가 길을 걷다보면 전봇대를 심심치 않게 볼 수 있다. 주상변압기가 달려있는 전봇대로 전기가 오기 전에 산의 큰 철탑을 거치게 된다. 이 철탑을 송전탑이라 불리며, 우리가 집에서 편안히 콘센트에 꽂아 전기를 이용할 수 있도록 배달해주는 도매상 같은 역할을 한다. 그러나 이 송전탑은 자연경관을 해치는 문제가 있어왔다.


며칠전 서울대공원, 서울랜드 일대에 고압 송전탑이 사라진다는 보도가 있었다. 등산을 하며 무심결에 보았던 송전탑이 멀리서 보면 흉물이 되기 일쑤였다. 이를 해결하기 위해서 정부가 나서서 송전탑 및 송전선로를 지하에 매설하는 지중화 사업을 시작하기로 한 것이다.

이 사업을 좀 더 자세히 들여다보면 과천시 75억원, 한국전력공사 75억원 등 총 150억원을 들여 1년여간 진행되는 사업으로 국립과천과학관, 서울대공원 서울랜드, KRA 시설을 둘러싸고 있는 송전탑과 송전선로를 모두 땅속으로 옮겨 설치하게 된다는 것이 주요내용이다. 이에 따라 지중화 사업이 마무리되는 오는 2013년쯤에는 국립과천과학관 일대를 둘러싼 10개의 송전탑과 이를 잇는 송전선로가 모두 지하로 매설돼 지상에서 사라지게 될 전망이다


이에 따라 지중화 사업이 끝나는 2013년에는 국립과천과학관, 서울 문화예술공원 일대가 쾌적한 환경으로 되살아날 전망이다.  관계자는 "그동안 국립과천과학관 일대는 수많은 시민들과 관람객이 빈번하게 방문하는 곳이지만 300m마다 송전탑이 설치돼 미관을 해치고 고압전류로 인해 시민 안전이 위협받아 왔다"라며,  "이번 지중화 사업을 통해 지역의 오랜 민원이 사라지게 됐다"고 덧붙였다. 

우리나라의 아름다운 강산을 마음껏 누리기 위해서는 조금의 희생은 필요할 것이다. 지중화 사업이 막대한 비용으로 인해 전체적으로 이루어질 수는 없는 점이 아쉽지만 이렇게 지중화 사업을 통해 우리가 사용하는 전기를 공급받고 자연환경도 해치지 않는다면 일석이조의 효과를 보는 것이다.  


송전탑을 제거하는 움직임은 국립공원으로 지정되어 있는 설악산에서도 볼 수 있다. 그림같은 절경을 가리는 옥의 티와 같은 송전탑을 제거하기 위해서 해체된 철탑을 산 아래로 나르기 위해서 헬기소리가 연일 떠나지 않는다.

이처럼 환경과 편의 이 두가지 가치를 양립하기 위해서 우리나라 정부는 움직이기 시작했다. 이러한 움직임을 바탕으로 자연환경을 누리고 사는 우리가 후손에게 아름다운 우리 강산을 물려주기 위해 노력하는 자세가 더욱 필요하다.

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태양으로 돌아가는 전지, 에너지 혁명을 시작하다.



무분별한 개발과 화석원료의 사용으로 지구온난화로 인한 피해가 가시화되고 있다. 갑작스런 기상 이변으로 인해 21세기 초반 미국과 유럽에서는 전례없는 폭염으로 수많은 사람들이 죽어갔으며 히말라야 산맥의 빙하 중 67%정도가 녹고 있다. 이러한 시점에서 전 세계가 지구가 보내는 경고를 진지하게 받아들이고 준비하고 있으며 그 중 하나가 친환경적인 에너지원 개발에 힘을 기울여 온 것이다. 특히 태양을 이용한 효율적인 에너지 발전 시스템 개발, 즉 태양전지는 우리가 나아가야할 방향을 제시하는 데 나침반 역할을 하고, 에너지 혁명을 시작점에 선두 역할을 하고 있다고 해도 과언이 아니다.  

녹색성장과 전기에너지

태양광 발전

태양은 매일 지구가 필요로 하는 에너지의 1만배를 보내고 있으며 이는 지구상 모든 에너지의 원천이 되고 있다. 인간의 모든 활동에는 온실가스가 발생하고 있으며 특히 인위적인 이산화탄소 발생은 지구 온난화의 주원인이 되고 있다. 온실 가스 배출량을 감축하지 못하면 21세기 말에는 지구 평균 기온이 1.4~5.8도가 증가할 것으로 예측되고 있다. 지구 온난화가뭄과 홍수의 증가, 해수면의 상승, 생태계 파괴 등 인류의 생존 기반을 무너뜨릴 위험성이 있다. 이런 가운데 태양전지와 같은 신재생에너지는 모든 에너지의 원천이며 막대한 자원 잠재력과 자원의 보편성 때문에 가장 주목 받고 있다.
 
태양전지의 역사는 1839년으로 거슬러 올라간다. 1839년 최초로 광전효과를 발견한 것이다. 광전효과란 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상으로 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말한다. 그렇게 튀어나온 전자가 전기를 발생을 시키는 시작점이 되어 우리가 전기 공급원을 사용할 수 있도록 고안한 것이 바로 태양전지인 것이다.

1870년대에는 효율 1~2%의 Se Cell이 개발되었고, 1940~1950년대 초고순도 단결정 실리콘을 제조할 수 있는 Process를 개발하여 1954년에 효율 4%의 실리콘 태양전지를 개발하였다. 이렇게 축적된 기술을 바탕으로 1958년 미국의 Vanguard 위성에 최초로 태양전지를 탑재한 이후에 모든 위성에 태양전지를 상요하여 1970년대 태양전지의 상업화가 급진전되었다. 현재 태양전지의 효율은 7~17%로 수명이 20년 이상이 되는 태양전지를 만들수 있는 기술적인 발전을 이룬 상태이다.
 
 

태양광발전, 태양열발전 무엇이 다른가?

 
미래의 에너지로 통하는 태양을 이용한 발전(發電)은 전 세계의 유행이다. 태양을 이용한 전기에너지 발생 방식으로 크게 두가지가 있다. 태양광 발전태양열 발전이 그것이다. 태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변화시키는 기술로 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기가 발생하는 발전방식이다. 반면 태양열발전은 태양광선의 파동성질을 이용하는 광열학적인 이용분야로 태양열의 흡수, 저장, 열변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이다.

태양광발전

태양열발전(타워형)

 
지금까지 한국에서 주로 많이 시도된 것은 태양열(熱) 발전이 아니라 태양광(光) 발전이었다. 태양광 발전의 경우 약한 태양빛으로도 발전이 가능하기 때문에 중위도에 위치한 한국은 태양광 연구가 활발한 편이다.
 
좀 더 자세히 살펴보면 태양열 발전은 기존의 발전 방식과 비슷하다. 거울 같은 장치를 이용해 빛을 모아 높은 열을 내게 한다. 돋보기를 이용하면 종이에 불을 붙일 수 있는 것과 같은 원리다. 이 열로 물이나 기름을 데우며 그때 발생하는 증기의 압력으로 발전기의 터빈을 돌린다. 물이나 기름을 데워 터빈을 돌리는 것은 화력 발전소와 비슷하다. 그 이전 과정인 빛을 모으는 것이 태양열 발전의 핵심이다. 반면 태양광 발전은 열을 모으는 것이 아니라 빛을 직접 전류로 바꾸는 것이다. 발전기가 필요 없다. 대신 실리콘으로 만들어진 반도체인 태양전지가 필요하며, 이 태양을 먹고 사는 전지가 빛을 전류로 바꾼다. 


 

태양을 먹고사는 전지, 그 기본 원리는 무엇인가?

 


태양전지는 반도체의 원리를 기본으로 한다. 태양광을 받게 되면 에너지가 반도체 내에 자유전자(-)를 생성한다. 갑자기 없던 자유전자가 생성 되는 이유는 엄청난 에너지를 가진 태양의 빛 에너지를 받고 발생하는 것이다. 그렇게 태양광으로부터 생성된 자유전자들은 신나게 움직이기 시작하고 그러다가 전자(-)와 정공(+)이 이동하면서 접합된 부위에 생성된 전기장이 생성되고 이러한 흐름을 통해 전류가 생성되는 것이다.
 

울산과학기술대학교 에너지공학부 용석 교수는 "대체 에너지의 종류는 원자력발전, 바이오 매스, 풍력발전 등이 있지만 그 중에서 가장 큰 에너지를 갖는 신재생 에너지는 태양에너지이다."라고 말하며, "태양전지를 이용하여 에너지를 생산하게 되면 지구 온난화의 주범으로 여겨지고 있는 이산화탄소의 발생을 막을 수 있고, 위험요소도 없기 때문에 가장 이상적인 에너지로 생각 할 수 있다."라고 덧붙였다.
 

 광합성을 하는 태양전지?! 고분자를 이용한 태양전지?!



우리나라의 경우 1970년대 초부터 대학과 연구소를 중심으로 연구를 시작하여 1988년부터 대체 에너지 개발 촉진법에 따라 정부차원에서 단결정 실리콘계 태양전지의 기술개발이 이루어졌다. 기술개발의 방향은 저가화와 효율 향상을 위한 태양전지 제조기술개발 및 시스템 이용기술개발을 병행하여 추진되었고, 1세대 태양전지인 단결정질 실리콘계 태양전지는 국산화 생산 체계가 갖추어졌다. 그러나 실리콘계 태양전지는 광 흡수율이 낮아 변환효율이 낮으며 실리콘 원자재의 높은 가격 탓에 경제성이 멀어져 미래의 에너지원으로 부적합하다. 그래서 이제는 실리콘 기반의 태양전지가 아닌 보다 경제적인 차세대 태양전지 연구가 필요하게 된 것이다.
 
그것이 바로 염료감응 태양전지유기태양전지이다. 연료감응 태양전지란 광합성을 통해 에너지를 얻는 식물을 모방하여 태양광을 잘 흡수하도록 고안된 염료를 전극재료에 바르고 앏은 유리막 사이에 특수 염료를 넣어 전기를 생산해내는 태양전지이다. 유기 태양전지는 전도형 고분자를 기반으로 하기 때문에 기존의 반도체 태양전지에 비해 빛의 흡수량이 1000배 이상 높다. 따라서 매우 얇은 두께에서도 빛의 흡수를 극대화할 수 있으며 기존 실리콘 재료의 1/1000만으로도 제작이 가능해 가볍고 휘어지는 구조를 구현할 수 있다.  
 
염료감응 태양전지는 기존 반도체 태양전지와 비교하면 저렴하고 소재의 특성상 투명하고 다양한 색상의 태양전지를 만들 수 있는 장점이 있다. 그러나 기존 태양전지보다 효율이 낮다는 단점이 있어, 염료의 배열, 전극과 염료의 접착력을 개선하여 효율성을 높이고 대량 생산 능력을 확보한다면 대형 시장을 형성할 수 있을 것으로 기대된다. 유기 태양전지 역시 박막형으로 만들 수 있고 낮은 가격에 소자를 제작할 수 있는 장점이 있지만 다른 태양전지에 비해 수명이 짧다는 단점을 지녔다. 하지만 최근 국내 연구팀에 의해 유기 태양전지의 성능과 수명을 획기적으로 향상시키는 기술이 개발되었으며, 이는 재료공학 분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'지에 표지논문으로 게재되기도 했다.
 

태양을 이용한 전기의 생산은 이상적임에도 불구하고 전기 생산에 아주 작은 부분을 차지하고 있는데 그 이유는 태양전지의 높은 발전 단가 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 재료의 저가화와 같은 다양한 방법이 있지만 가장 좋은 방법은 태양 발전 에너지 전환 효율을 높이는 일이라 할 수 있다. 태양광 산업을 발전시키기 위해서는 기존 실리콘 기발 태양전지보다 값은 저렴하면서 비슷한 효율을 가지는 태양전지의 연구가 필요하다.
 
한국화학연구원 에너지 소재 연구센터 신원석 선임연구원은 " 태양전지 소재의 경우 선진국에 비해 2~3년의 차이가 나고 있다. 소자 제작의 경우는 거의 차이가 나지 않지만, 대량 생산에 관한 공정은 4년이상의 차이가 나는 것으로 보고 있다."라며, " 우선 세계 최대효율의 태양전지 재료 개발을 하고 국내외 기업들과 연계를 통해 상업화를 성공시키는 전략을 가지고 있다."라고 덧붙였다.
 
신재생 에너지 중 무한한 에너지를 가지고 설치에 제약이 없는 태양전지를 보급하고 사용하는데 역시 국가 정책이 큰 영향을 준다. 더욱이 많은 잠재력이 있으나 현재 개발 단계에 있는 차세태 태양전지의 연구와 개발은 말할 것도 없다. 차세대 태양전지는 새로운 기술을 개발하고 개념을 정립하는 단계인 만큼 정부의 정택과 지원은 필수적이며, 아울러 태양을 효과적으로 이용하기 위한 과학자들의 끊임없는 연구개발이 병행되어야 할 것이다.
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스타탄생과 소멸~ 이 제목을 읽는 독자에게 스타 탄생은 유명 스타 연예인 이야기가 아닐까 하고 들어왔을지도 모른다. 하지만 스타가 탄생하고 소멸하는 이야기는 연예계 세상속에서도 이루어 지듯, 진짜 별에도 탄생과 소멸 과정을 친근하게 과학이야기로 접근해볼 수 도 있다.
 


 
얼마전 초신성을 관찰할 수 있는 기회가 찾아왔다. 이는 약 40년 만에 일반인도 작은 망원경이나 쌍안경 등으로 우주의 비밀을 간직한 초신성(supernova)을 직접 관찰할 수 있는 기회였다. 초신성이란 별의 진화 과정에서 마지막 단계에 이른 늙은 별이 폭발하면서 많은 양의 에너지를 뿜어내는 현상을 말한다. 폭발할 때 밝기는 평소의 수억 배에 이르렀다가 서서히 어두워진다. 사실상 죽음을 앞둔 별의 마지막 모습이지만, 마치 새로 생겨난 밝은 별처럼 보여 초신성이라 부른다.
 

 
이 사진은 서울대학교-경희대학교 초기우주천체연구단 공동연구팀이 포착해낸 사진으로 약 2천만 광년 떨어진 "M101"은하에서 생거난 초신성을 관찰할 것이다. 이 "M101"은하 초신성은 지난 8월 미국 팔로마 천문대가 처음 발견해 'PTF11kly'라는 이름을 붙였다. 같은 달 30일 서울대-경희대 공동연구팀도 미국 텍사스주 맥도날드 천문대의 2.1 m 망원경에 근적외선 감도를 높여 자체 제작한 '시퀸(CQUEAN)'카메라를 장착, 이 초신성의 모습을 잡아냈다. 이 같은 국내 연구팀의 관측 결과는 흥미로운 천체 현상 정보를 공유하기 위해서 국제 커뮤니티 성격인 "애스트로노스 텔레그램(Astronomer's Telegram, www.astronomerstelegram.org)"에도 보고 됐다.

별도 태어나고 지다.

 
천문학자 및 전문가들은 우주팽창과 암흑물질 등 별, 은하, 우주의 탄생과 진화의 실마리를 찾기 위해 초신성을 집중적으로 관측, 연구하고 있다. 지금까지 천문학자 및 전문가들을 통해서 밝혀진 우주의 섭리는 앞으로 더 밝히고 개척해야 할 부분이 더 많다. 하지만 별의 탄생과 소멸에 대해서 일반적 과정은  별도 사람과 같이 태어나고 진다는 순리를 겪는다는 것이다.
  
 
 
별의 탄생에 있어서 재료는 성운이라고 하는 별의 구름조각들이 모여있는 것으로 가스들이 모여있는 별의 근원이 되는 물질이다. 성운 안의 가스들이 자기들끼리 중력으로 모이면 내부온도의 상승으로 빛이 난다. 이때 별이 탄생하게 되는데, 이 별을 원시별이라 부른다. 이때부터 빠르게 수축하게 되는데 수축하게 되면서 별 내부온도가 증가하게 되고 일정온도 이상이 되면 수소의 핵융합이 시작된다. 여기서 별의 에너지가 나오게 되는 것이며, 아인슈타인의 법칙에 의해 질량 결손에 따른 에너지 발생이 이루어진다. 다시 말해 수소가 모여 그 보다 작은 원자량을 가진 헬륨이 되면서 질량이 약간 없어지게 되는데  E=mc²f라는 식을 통해 에너지로 전환된다는 것이다.
 

<대표적 적색거성 플룩스와 태양의 크기 비교 사진>

이 단계에서 우리는
주계열성이라고 부르며, 이 별의 색깔과 밝기는 다양하다. 파란색, 흰색, 붉은 색 등 자신 고유의 색깔과 밝기를 지니고 대부분의 일생을 보내게 된다. 그렇게 수소 핵융합이 다 끝나면 남아있는 별의 질량에 따라 운명이 바뀐다. 태양 질량의 0.1~0.4배 정도가 되면 그냥 식어서 하얗고 작은 별인 백색 왜성이 된다. 태양 질량의 0.4~5배는 적색 거성이 되고 좀 더 큰 것은 적색 초거성이 된다.  적색 초거성 단계에서 수축하게 되고 중력이 높아지게 되므로 갑자기 압력이 높아지는 때가 있어 초특급 폭발이 일어나게 된다. 이것이 바로 별의 마지막 단계인 초신성이다. 이것의 밝기는 우주에서 가장 밝다.

 
이 때 태양질량의 30배 이상인 적색 초거성이 초신성을 일으키면 블랙홀이 되지만 태양질량의 8배 이상 30배 미만인 적생 초거성이 초신성을 일으키면 중성자 별이 만들어진다. 적색 거성이 날려보낸 바깥층의 가스와 적생 초거성이 초신성을 일으키며 뿜어낸 가스는 다음에 태어날 별의 재료가 되면서 새로운 별의 생애가 순환하게 된다.
 

 
이처럼 별도 사람처럼 탄생, 성장하면서 소멸한다. 은하 속에는 태어나는 별, 성장하는 별, 폭발하는 별, 조용히 죽어가는 별 등 다양한 별이 존재한다. 별이 탄생과 소멸하는 과정을 정리하면 다음과 같다.
 

1. 먼지와 티끌로 이루어진 성간 물질들이 중력에 의해 뭉쳐져 성운이 된다.
2. 성운이 중력에 의해 크기가 작아지고 중심 온도가 높아지면서 하나의 별이 탄생한다.
3. 그 중 질량이 큰 별은 온도와 밀도가 놓아 적색 초거성이 되어 폭발한다. 그 후 중성자 별이 되기도 하고 블랙홀이 되기도 한다.
4. 질량이 작은 별은 갈색 왜성이 되기도 하고 적생 거성이 되기도 하는데, 별의 대기가 바깥으로 퍼져 나가면 행성상성운이 되었다가 백색 왜성이 된다.
5. 백색 왜성과 갈색 왜성, 초신성이 폭발한 잔해등은 우주공간에 퍼져 새로 탄생하는 별의 재료가 된다.

 
인류가 생존해 있는 지구가 초록색 별로서 태양의 수많은 은하 중에 하나, 그 하나 속에 작은 별로서 크나큰 우주에 존재하듯 우리 존재의 이유를 밝히는 천문학의 세계에서는 풀어야 할 숙제들이 많다. 별의 탄생과 소멸처럼 그 과정이 밝혀지거나 관찰되는 경우도 있지만 세부적으로 살펴보면 전문가들도 그 이유가 무엇인지 이해하기가 어려운 경우가 많다. 
 
우주개발을 위해 인공위성을 천문학적인 금액을 들여 쏘아올리고, 대한민국 최초의 우주인을 선발하는 등 국민의 성원에 힘입어 그 동안 우리나라는 우주개발에 힘을 써왔다. 미국을 비롯한 주요 선진국들이 우주 및 천문학 기술에 돈을 쏟아붓는 데는 국민의 자부심 증대와 같은 상징적 이유 외에도 앞으로의 에너지 자원 경쟁에 대비하기 위한 실질적인 경쟁도 존재하고 있는 만큼 천문과학 및 우주개발에 대한 국민의 적극적인 관심이 필요한 때이다.   

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