1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
1.2 페로브스카이트 및 염료감응형 태양전지 특성
1.3 주요 설치 사례
1.4 사전 조사(투과특성, 색상특성, 실내환경)
2. 본 론
2.1 연구 방법 및 절차
2.2 시료제작
2.3 시료(모듈) 색채특성 분석 실시
3. 결 론
3.1 실내 환경 개선 효과
3.2 실내 환경 개선을 위한 설계 지침
기호 및 약어 설명
DSSC : Dyes-Sensitized Solar Cell, 염료감응형 태양전지
BIPV : Building integrated photovoltaic, 건물형태양광
1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
탄소중립은 모두가 지켜야 할 국제사회 규범이며, 2050년까지 달성해야 한다. 국내 온실가스 배출의 86.9%가 에너지부문에서 발생하는 만큼, 탄소배출을 저감할 수 있는 에너지전환이 핵심이다1). 재생에너지 3020 이행 계획 및 제로에너지빌딩 의무화 정책에 따라 도심의 건축물 옥상, 발코니 등에 태양광모듈(PV)을 설치하고 있지만, 기존 방식으로는 에너지자립률을 향상하기 위해서는 한계가 있어 이를 해결하기 위해서 건물형태양광모듈(이하 BIPV)이 대안이다. BIPV에 적용되는 태양광 모듈은 결정형과 비정질 실리콘 태양전지가 90% 이상을 차지하며, 이 중 결정형 태양전지는 주로 건물 옥상이나 벽면에 단순 부착되는 형태로 사용된다. 그러나 이러한 방식은 건물 미관을 해치는 문제가 있어, 이를 해결하기 위한 디자인 요소를 고려한 BIPV에 대한 관심이 높아지고 있다2).
특히 최근 전세계적으로 이슈화 되고 있는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 및 염료감응형 태양전지는 빛의 투과 특성을 활용하여 투명하거나 반투명한 디자인을 구현할 수 있는 차세대 BIPV 기술로 부상하고 있으며, 이러한 태양전리를 적용한 모듈은 건물의 외벽, 유리창, 혹은 실내 가구에 통합되어 태양광 에너지를 생산하면서도 자연광을 실내로 유입시켜 기존의 불투명 모듈보다 다양한 건축 디자인에 활용될 수 있는 가능성 높은 편이다.
그러나 페로브스카이트 및 염료감응형 태양광모듈은 그 고유의 빛 투과율과 색채 특성에 기인하여 실내 채광 환경과 시각적 노출에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 이 가운데 빛 투과스펙트럼 및 색온도는 실내환경의 쾌적성 및 정서적 안정성에 많은 영향을 미치는 요소들로서, 태양광 모듈 디자인 및 건물의 실내 디자인시 초기 단계부터 고려되어야 할 중요한 요소임이 분명하다.
따라서 본 연구에서는 페로브스카이트 및 염료감응형 태양광모듈을 대상으로 빛 투과 특성을 분석하고, 이를 기반으로 보색 관계를 활용하여 실내환경을 개선하는 연구를 실시하였으며, 이 연구를 통해 자연광과 태양광 모듈을 활용한 쾌적한 실내환경 조성의 설계 원칙을 제안하고, 에너지 효율성 및 사용자 만족도를 동시에 극대화할 수 있는 BIPV 기술의 활용 가능성을 높이고자 한다.
1.2 페로브스카이트 및 염료감응형 태양전지 특성
페로브스카이트 태양전지는 최근 태양광 발전 기술에서 가장 혁신적인 기술로 주목받고 있다. 동작 원리는 태양광이 페로브스카이트 구조의 광흡수층에 도달하면 빛 에너지가 전자를 들뜨게 하여 전자-정공 쌍을 형성한 후, 전자는 전자수송층(ETL)을 통해 전극으로 이동하고, 정공은 정공수송층(HTL)을 거쳐 반대쪽 전극으로 전달되어 전류를 생성한다. 페로브스카이트 태양전지는 Fig. 1(a)와 같이 다층 구조로 이루어져 있으며, 투명 전도성 산화막(TCO), 전자수송층, 광흡수층, 정공수송층, 금속 전극의 순서로 구성된다3).
페로브스카이트 물질은 ABX3 구조로 구성되며, 여기서 A는 메틸암모늄(MA) 또는 세슘(Cs), B는 납(Pb) 또는 주석(Sn), X는 할로겐(Cl, Br, I)을 포함되도록 구성한다. 이 소재는 넓은 광흡수 스펙트럼, 높은 전하이동 효율, 저비용 제조 공정을 특징으로 하며, 특히 다양한 색채와 투명도를 구현할 수 있어 건축물의 미적 가치를 높이는 데 유리하다. 그러나 정공수송층에 적용되는 재료가 수분과 산소에 민감해 안정성이 낮다는 단점이 있으며, 이를 개선하기 위해 고분자 물질 또는 하이브리드 소재 적용과 같은 연구가 활발하게 진행 중이다4).
염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 모방한 기술로, 염료 분자가 태양광을 흡수하여 전자를 방출하고 이를 통해 전류를 생성하는 방식으로 동작한다. 이 기술은 Fig. 1(b)와 같이 투명전도성 전극, 염료 흡착층, 전해질층, 백전극으로 구성되어 있으며, 이 중 염료는 흡광 역할을 하고 전자는 티타늄 디옥사이드(TiO2) 나노입자 표면에서 방출되어 전극으로 이동한다. 염료감응형 태양전지는 루테늄 기반 염료와 요오드화물/삼요오드화물(I-/I3-) 전해질을 주로 사용하며5), 다양한 색상과 투명도를 구현할 수 있는 장점이 있다. 낮은 제조 비용과 약한 빛 조건에서도 높은 효율을 발휘하는 특성 덕분에 실내 환경 또는 투명한 건축 구조물에 적합하나, 염료의 열화와 전해질 누출 같은 안정성 문제를 단점으로 갖고 있다.
페로브스카이트와 염료감응형 태양전지는 모두 기존 실리콘 태양전지의 한계를 극복하고, 디자인 유연성과 고효율을 제공하여 BIPV기술로 각광받고 있으며, 특히, 페로브스카이트는 높은 변환 효율과 넓은 스펙트럼 흡수를 특징으로 하며, 주로 고효율 BIPV 시스템에 적합한 반면 염료감응형 태양전지는 낮은 빛 조건에서도 안정적인 작동이 가능하고, 색상 구현 능력이 뛰어나 투명한 외벽이나 실내 가구와 같은 디자인 요소에 적합하다6). 이러한 두 기술은 미래의 에너지 자립형 건축물 개발에서 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다.
1.3 주요 설치 사례
스위스 로잔에 위치한 EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) 캠퍼스 연구동은 염료감응형 태양광 모듈을 외벽에 설치하여 Fig. 2(a)와 같이 독특한 외관 디자인과 에너지 생산을 동시에 실현했다. 특히 모듈의 색상과 투명도를 활용해 건축물의 미적 가치를 높였으며, 재생에너지 사용을 확대하는 선도적 사례로 평가받고 있으며, 설치된 모듈은 스위스 솔라로닉스에서 제조한 35 × 50 cm2 크기(약 150 m2)의 모듈로 연결되어 총 1400 W로 구성되어 있다.
Fig. 2(b)의 오스트리아 그라츠의 사이언스 타워에 설치된 모듈은 스위스의 H. Glass에서 제조한 모듈로서 896 W의 적색 모듈을 면적 0.6 m2 면적에 설치하였으며, Fig. 2(c)와 같이 덴마크 로스킬레대학교 솔라파빌론에 설치된 모듈은 대한민국 동진세미켐에서 제작한 196 W 적색 모듈을 적용하여 면적 180 m2에 설치하였다7). 이러한 설치사례는 주간에는 투과된 자연광으로 실내연출을 야간에는 실내의 인공광에 의한 아름다운 파사드 역할까지도 수행이 가능하다는 장점이 있음을 보여주고 있다.
1.4 사전 조사(투과특성, 색상특성, 실내환경)
국내에 설치사례 중 Fig. 3과 같이 KIEL연구원에 설치되어 있는 염료감응형 태양광모듈에 대한 다양한 사전조사(실내환경 등)를 통하여 실내환경 개선방향을 고려하였으며, 사전조사를 통해 획득한 정보는 Table 1과 같다.
Table 1.
Preliminary data of DSSC
2. 본 론
2.1 연구 방법 및 절차
(1) 연구방법
본 연구에서는 특정한 색상을 갖는 BIPV 모듈을 대상으로 모듈 고유의 색상 대비 보색관계를 이용하여 모듈 투과빛의 표면반사 색채특성을 개선하기 위한 연구를 진행하였다. 연구에 사용하기 위한 모듈은 상용화 측면에서 현재 확보가능한 염료감응형 태양광모듈을 적용하여 실험을 진행하였으며, 연구의 주요 목표는 확보된 모듈 표면에 보색관계의 색상을 갖는 필름을 제작하여 적용하고 이를 통해 모듈을 투과된 빛이 표면에 반사될 때 반사되는 표면의 색채특성이 실내환경을 개선하는 것이다. 이를 통해서 특정한 색상을 갖는 다양한 종류의 BIPV 모듈들이 실내환경 개선측면에서 어떻게 설계되어야 하는 지에 대해서 연구하고자 하였다.
또한 투과된 빛이 표면에서 반사될 때 표면의 색채특성이 개선된다는 개념은 국제조명위원회(CIE)에서 규정하고 있는 색도좌표 분포도를 기준으로 설명할 수 있으며, 측정된 색상의 색도좌표가 중심에 위치할수록 실내환경이 개선된다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 BIPV모듈을 투과하는 빛이 특정 표면에서 반사될 때 표면의 색채특성을 개선하기 위하여 보색 필름을 장착하고 색채특성 곡선에 따라 색도측정점이 분포도의 중심으로 이동할 수 있도록 연구를 진행하였다. 국제조명위원회(CIE)에서 제안하고 있는 색도좌표 분포도는 Fig. 4와 같다.
(2) 연구절차
이러한 연구내용을 실험하기 위한 절차는 다음과 같이 5가지 절차로 계획하였다.
∙필름 표면 처리 : PET 필름의 표면에너지 측정, 코로나 처리, 표면에너지 최적화
∙R/G/B 염료 배합 및 잉크 제조 : 염료 배합설계, 염료 분산처리, 보색 염료제작
∙코팅 공정 : 스프레이 코팅공정, 경화 공정
∙분석 시스템 구축 : 광원부, 지그부, 데이터 취득부
∙실험 데이터 취득 및 분석 : 색도좌표 분석
상기 절차와 같이 표면 처리된 필름에 보색관계의 색상을 코팅하고 이를 염료감응형 모듈에 장착하여 색도좌표가 중심으로 이동하여 색채특성이 개선하는 지에 대한 연구를 절차대로 실시할 계획이며, 보색 염료의 코팅 전 모듈과 코팅 후 모듈의 색도좌표를 각각 분석하여 개선여부를 판단 할 수 있도록 연구를 진행할 계획이다. 이러한 색채특성 개선실험의 개념을 Fig. 5에 나타내었다.
2.2 시료제작
(1) 필름 표면의 코로나 처리 및 R,G,B 염료배합
필름(PET film) 표면에 코로나 처리 및 RGB 염료 배합 공정을 수행하기 위해 4단계로 실험을 진행하였으며, Fig. 6과 같이 첫 번째는 필름 표면의 표면에너지 측정, 두번째는 표면에너지 개선을 위한 코로나 처리, 세번째는 표면에너지 최적화 실시, 네번째는 RGB 염료 배합 및 잉크제조 순으로 실험을 실시하였다.
상기 순서의 구체적인 실험내용은 다음과 같다.
∙필름 표면의 표면에너지 분석
필름의 적합한 표면에너지를 파악하기 위해 다양한 시약을 활용하여 표면에너지를 분석하였으며, 이를 기반으로 기존 필름은 28 ~ 32 dyne/cm사이의 표면에너지가 나타나는 것으로 분석되었다.
∙표면에너지 개선을 위한 코로나 처리 공정
필름에 고주파 고전압을 인가하여 표면에너지 상승을 위한 표면처리를 실시하였으며, 표면에너지가 46 ~ 48 dyne/cm 사이가 되도록 표면처리를 실시하였다. 이는 표면에너지 장력을 높이기 위한 방법으로서 PET 필름의 표면에너지가 46 ~ 48 dyne/cm 사이가 될 때 접착제 및 잉크 코팅제 등이 안정적으로 접합될 수 있기 때문에 이러한 코로나 처리 공정을 실시하였다.
∙표면에너지 최적화 실시
코로나 처리된 필름에 다양한 시약 처리를 실시한 결과, 표면에너지가 48 dyne/cm일 때 최적의 접착 효과가 나타나는 것을 확인하였으며, 이를 기반으로 필름의 표면에너지가 48 dyne/cm로 되도록 처리 공정을 최적화하였다. 이는 코로나처리 전과 비교하여 약 2배정도의 표면에너지 향상효과가 나타날 때 잉크 접합이 최적화되는 것으로 분석되었다.
∙R/G/B 염료 배합 및 잉크 제조
RGB 염료 배합을 위해 다양한 비율로 염료를 배합하였으며, 이를 통해 염료감응형 모듈의 고유 색상과 대비되는 보색관계의 염료를 배합하였다. 배합된 염료는 30분 동안 분산시킨 후, 필름에 코팅이 가능한 잉크로 제조하였으며, 이러한 잉크 제조 모습을 Fig. 7에 나타내었다.
(2) 시료제작
연구에 필요한 시료(모듈)를 제작하기 위하여 배합된 잉크를 필름에 코팅하고 이를 염료감응형 모듈에 부착할 수 있도록 필름 시료를 제작하였으며, 이를 위해 다음과 같이 4단계로 실험을 실시하였으며 과정은 Fig. 8과 같다.
∙염료감응형 모듈의 색도좌표 분석
모듈 고유의 색상과 보색관계를 파악하기 위하여 염료감응형 모듈의 색도좌표를 분석하였으며, 측정결과 색도좌표는 적갈색(x : 0.4354, y : 0.3923)으로 분석되었다.
∙색채특성 개선을 위한 보색 선정
상기 분석된 염료감응형 모듈의 색도좌표를 기반으로 실내환경의 색채특성을 개선하기 위한 보색을 결정하였으며, 특성개선을 위한 보색은 녹색(x : 0.4354, y : 0.3923)으로 결정하였다.
∙보색 염료 배합 및 제조
상기 선정된 보색의 잉크를 제작하기 위하여 R,G,B 염료를 적절한 비율로 배합하였으며, 여기에 불소수지, 희석제 및 접착제 등을 첨가하여 30분 이상 혼합시킨 후, 보색관계의 잉크를 제조하였다.
∙잉크 코팅 및 모듈 제작
상기 제작된 보색관계의 잉크를 코로나 처리된 필름 표면에 스프레이 방식으로 코팅을 실시하였으며, 코팅된 잉크가 충분히 경화될 수 있도록 100℃ 온도 챔버에서 3시간 동안 경화공정을 실시하였다. 경화가 완료된 필름을 염료감응형 모듈에 부착하여 시료(모듈)를 완성하였다.
2.3 시료(모듈) 색채특성 분석 실시
(1) 색채 특성 분석 및 시스템 구축
제작된 시료(모듈)의 색채특성 개선여부를 측정하기 위하여 Fig. 9와 같이 색채특성 분석시스템을 구축하였으며, 크게 3부분(광원부, 지그부, 데이터 취득부)으로 나누어 제작·구축하였다.
첫 번째 광원부는 국제조명위원회(CIE)에서 제시하는 표준광원(D65)에 적합한 광원으로 구축하였으며, 두 번째 지그부는 시료(모듈)이 안정적으로 장착될 수 있도록 제작하였고 세 번째 데이터 취득부는 색도좌표가 측정될 수 있도록 구성하였다. 또한 시스템 내부는 일정한 온도가 유지 될 수 있도록 시스템을 구성하였다.
(2) 색채 특성 분석 결과
색채 특성 분석은 코팅 전·후의 모듈에 각각 CIE D65 표준광원(500 lux, 수직 입사각)을 조사하여, 모듈을 투과한 빛의 색도좌표 변화를 측정하였다. 각 실험 조건에서 색도좌표를 5회 반복 측정하여 평균값 및 표준편차를 도출하였으며, 이를 바탕으로 색채 특성이 얼마나 개선되었는지 분석하였다. 분석 결과, Table 2와 같이 코팅 전 모듈의 투과빛 색도좌표는 적갈색 (𝑥 = 0.3648 ± 0.0023, 𝑦 = 0.4012 ± 0.0021)로 측정되었으며, 이는 모듈의 고유색상과 차이가 있었다. 보색 잉크 코팅 후, 모듈의 투과빛 색도좌표는 주황색 (𝑥 = 0.3556 ± 0.0021, 𝑦 = 0.3898 ± 0.0020)으로 측정되었다.
색도좌표 개선율은 다음과 같은 공식을 사용하여 계산되었다.
여기서
∙ : 코팅 전 모듈의 색도좌표
∙ : 코팅 후 모듈의 색도좌표
∙ : 실내 환경 개선을 위한 목표 색도 좌표
이를 적용한 결과, 보색 코팅 후 색도좌표 변화량이 색도좌표에 10.8% 더 가까워졌음을 확인하였다. 이는 코팅전 모듈과 비교하여 실내환경의 색채특성을 약 10.8% 개선한 수치로서, 모듈의 보색 코팅을 통하여 실내환경을 개선할 수 있다는 연구자료라고 할 수 있겠다.
3. 결 론
3.1 실내 환경 개선 효과
본 연구는 페로브스카이트 또는 염료감응형 태양광모듈을 대상으로 빛 투과 특성을 분석하고 이를 기반으로 보색 관계를 활용하여 실내환경을 개선코자 하는 연구로서, 이를 위해 기존 태양광모듈과 대비하여 보색 관계의 색상을 코팅한 태양광모듈의 투과 빛 색도좌표를 각각 측정하여 비교 분석하였다. 분석 결과 Table 3와 같이 코팅전 모듈과 비교하여 코팅후 모듈의 색도좌표가 약 10% 이상 개선된 수치를 나타냄으로서, 실내환경 역시 10% 이상의 개선효과를 나타낸다고 판단된다.
Table 3.
Optical properties of DSSC module after coating
| Category | Refinement |
| After coating module | 10.8% |
3.2 실내 환경 개선을 위한 설계 지침
상기 3.1항의 결과를 기반으로 특정 색상을 갖는 태양광모듈을 건축물에 적용할 경우, 실내환경을 개선하기 위해서는 반드시 보색 관계의 색상을 태양광모듈에 적용하여야 함을 확인하였다. 이는 국제조명위원회(CIE)에서 규정하고 있는 색도좌표 분포도를 통해 설명할 수 있으며 여러종류의 모듈 크기와 다양한 투과율 등에 기인하여 보색 관계의 색상을 태양광모듈에 적용할 시 설계 단계에서부터 검토할 수 있는 지침을 제안코자 하며, 이러한 설계 지침은 모듈을 투과한 빛의 색도좌표가 그 중심으로 이동할수록 실내환경이 개선된다고 할 수 있기 때문에 색도좌표점을 그 중심으로 이동시키기 위한 설계 수식을 제안코자 한다.
(1) 입력 변수 정의
실내 환경을 개선하기 위한 설계 수식은 보편적이어야 하며, 이를 제안하기 위한 입력 변수는 다음과 같이 정의하기로 한다.
∙ : 기존 모듈을 통과한 빛의 색도좌표
∙ : 개선시키고자 하는 목표 색도좌표
∙ : 개선 비율(, 여기서 α = 1이면 완전한 화이트로 개선, α = 0.1이면 10% 개선)
∙ : 색상이 적용된 면적영역 및 투명영역의 면적
∙ : 색상이 적용된 영역과 투명 영역의 투과율
∙ : 개선해야 할 보색의 색도좌표
(2) 개선비율이 적용된 색도좌표 계산
개선비율 α값이 적용된 색도좌표는 현재 모듈의 색도좌표와 목표 색도좌표 사이의 선형보간으로 계산할 수 있으며, 다음과 같다.
(3) 개선해야 할 보색의 색도좌표 계산
모듈을 통과한 빛의 최종 색도좌표는 두 영역(색상영역, 투명영역)의 색도좌표, 투과율 및 면적의 가중평균으로 계산할 수 있으며, 다음과 같다.
위 식을 개선해야 할 보색의 색도좌표()에 대해 정리하면 다음과 같다.
(4) 제안하는 최종수식
실내 환경을 개선하기 위한 색도좌표의 최종 설계수식은 로 나타낼 수 있으며, Table 4와 같이 제안하였다.
Table 4.
Optical properties of DSSC module after coating
| Category | Mathematical formula |
| Proposed formula |
여기서,
∙개선비율 α값이 1이면, 완전한 화이트로 색도좌표가 이동하며, α값은 사이에 값으로 적용해야 한다.
∙면적과 투과율 값은 반드시 실제 조건과 동일해야 한다.
∙모듈에서 투과된 빛의 스펙트럼 분포가 이상적으로 균일하다고 가정한다.
본 연구는 광학적 측면에서 색도좌표 변화를 통한 실내환경 개선을 분석하였으며, 향후 실내 거주자의 심리적 안정감과 시각적 편안함에 미치는 영향, 다양한 조명 조건에서 BIPV 색채 변화를 검토하여 보다 실용적인 설계 가이드라인 개발을 통해 실제 건축 환경 연구가 지속적으로 필요할 것이다.
