에너지 효율 향상과 심미성 확보를 위해 BIPV(건물일체형 태양광) 기술과 스마트 윈도우 기술을 융합한 차세대 스마트빌딩 시스템 개발 및 연구 동향 doc_id PCY_202003160228025771_1

태양광 발전 또는 태양전지는 신재생에너지의 대표적인 에너지 생성원으로 넓은 면적에 태양광 입사각을 고려하여 설치하는 태양광 발전 방식에서 점차 도심 건물 에너지 효율 향상과 도심 태양광 발전을 위한 건물일체형 태양광(BIPV)으로 발전되면서 빌딩 내부에서 사용하는 전력량을 분담하고자 하는 노력이 증가하고 있다. 특히 투명태양 전지 기술 개발을 통하여 창호 자체에서 전기를 발전할 수 있는 장점이 있는 투명 창호 태양전지 기술은 고층 건물에 넓은 창호면적에 적용하는 경우, 상당량의 에너지 발전원의 역할을 할 수 있어서 주목받고 있다. 건물일체형 태양전지는 투명 창호 이외에 건축물 외장재로 적용이 점차 확대되고 있으며, 설치 공간 확보와 대형 건물 신재생 의무 설치, 발전차액 제도, 그린빌딩 인증제도 시행도 진행 중이다. 건물일체형 또는 건물집적형 태양광 발전시스템의 태양광(PV) 모듈은 신재생에너지의 핵심인 태양광 발전을 건축 외장재로 적용함으로써 친환경 재생에너지의 대표인 태양광 발전을 통한 전력 생산을 통한 부가가치 창출을 통한 건축물의 경제성 향상과 도심 환경에서의 에너지 효율 향상에 기여한다. 건물 적용 BIPV 시스템은 기존에 넓은 면적의 별도 설치 부지가 요구되던 태양광 발전 방식과 달리 도심 건축물에 적용이 가능하며, 특히 제로에너지 건축 의무화와 같이 건축물의 전기에너지 사용의 효율성과 친환경화를 위한 기술적인 대안으로 태양광 발전은 미래 에너지 산업 분야에서 주목받고 있는 분야이다. BIPV 시스템은 단순한 태양광 패널의 건물 적용뿐만 아니라 소재, 부품, 전기, 전자, 전력, 건축, 건설 등 다양한 기술이 융합되어 이에 따른 기술 개발과 연관 산업의 파급 효과가 큰 분야가 되어가고 있다. 도심의 고층 건물과 같이 에너지 소비가 점차 증가하고 있는 상황에 BIPV 시스템을 적용할 경우 여름철과 겨울철 피크 전력이 증가하는 시기 전력 수요 대응에 기여할 수 있다. 건물집적을 위한 여러 방식 중 창호 일체형 BIPV 시스템의 경우 유리 창호의 본래 기능인 투광성과 시인성을 유지하면 서도, PV 셀의 배치 변화에 따라 다양한 패턴을 형성하거나, 투과율 조절을 통해 다양한 건축적 기법으로도 활용 가능하다. 보다 가시성 확보와 시감의 증대를 위해서는 기존 유리 창호에 적용된 투명 태양전지가 요구되고 있으며, 커튼월 방식과 같이 건축물의 미적요소를 고려한 설계와 시공이 점차 증가하고 있다. 기존 BIPV는 차양 장치 또는 루버(Louver) 형태로 적용되어 과도한 직사광선으로부터의 노출을 방지하면서도 어느 정도 시각적인 쾌적성을 보장해 줄 수 있는 구조이다. 루버 형태 BIPV는 또한 설치 각도를 태양광 발전에 적합한 각도로 조절하여 수직 입면에 설치되면서도 발전효율을 유지할 수 있다. 일반적으로 사용되는 스마트 윈도우 기술은 전기를 인가하면 태양광을 선택적으로 차폐하는 기능이 구현되는 소재와 구조를 이용하는 방식으로 건축 에너지 효율화 정책 기조에 맞추어 로이유리(Low-E glass), 건물일체형 태양전지(BIPV)와 함께 에너지 절감과 건축물의 기능성 증대를 위한 스마트빌딩 기술의 주요한 구성요소가 되어가고 있다. 스마트 윈도우는 외부에서 유입되는 광원을 차단하는 블라인드 또는 커튼과 같은 역할을 위하여 투명/불투명 상태의 조절 기능뿐만 아니라 투과도를 조절하는 방식의 사용도 점차 요구되고 있다. 이러한 스마트 윈도우의 기능 구현은 전자산업의 발달에 따라 액정 또는 변색소자를 활용하여 점차 일상생활에 적용되기 시작하였다. 이와 같은 스마트 윈도우를 동작하기 위한 전원의 공급은 기존 전력계통 또는 외부 전원으로 연결하는 방식에서 벗어나 점차 건축 내·외부의 심미적인 요소를 위하여 태양광원을 활용할 수 있는 투광형 태양전지를 활용하여 편의성과 심미성을 개선하는 연구가 진행 중이다. 친환경 건축 기술과 신재생 에너지 기술이 점차 정보통신(ICT) 기술과의 융합을 통하여 새로운 형태의 부가가치가 높은 기술로의 전환이 진행되고 있으며, 이러한 차원에서 스마트 윈도우 기술이 건축자재화가 진행되고 있는 BIPV 태양광 기술을 독립전원으로 이용하는 기술은 단순 조합 방식에서 벗어나서 시스템화로의 진행이 전망되고 있다. 이를 위해서 내구성에서 유리한 무기박막 투명 태양전지와 색상과 다양한 형태에 유리한 유기 또는 하이브리드 소재 방식의 반투명 태양전지를 전력 구동원으로 하여 전기변색으로 대표되지만, 다양한 소재와 액정 또는 분극성 입자의 제어를 통한 스마트 윈도우 기술 개발 연구가 다양하게 진행 중이다. 이러한 스마트 윈도우 기술은 주변 광량과 날씨에 반응하여 동작할 수 있는 기술로 에너지 절감과 건축물의 기능성 부여를 통한 스마트빌딩 기술의 한 부분으로 기존 전력 계통과 별도로 일체화된 전원 시스템을 포함하면서도 색상구현과 투과도의 확보를 통한 심미성을 향상시킨 시스템화의 연구가 점차 활발하게 진행될 것으로 전망된다. 스마트 윈도우의 전기변색 기술은 인가된 전기를 통하여 유리 창호의 차단(on/off) 또는 명암을 조절하거나 색상과 투과도를 조절하는 방식의 결합으로 건물 디자인과 어울리는 다양한 색상의 적용과 함께 투명한 유리 창호로도 역할을 수행할 수 있는 기술로 국내외 여러 연구기관에서 연구 개발이 진행 중이다. 전기변색 방식의 스마트 윈도우는 전원 공급에 따라 전기화학반응 발생을 이용하여 색 또는 명암을 변하게 하는 방식으로 외부 광차단과 적외선 파장의 열 흡수를 통한 건물 에너지 절약에도 기여할 수 있다. 전기변색 방식으로 열변색(TC), 광변색(PC), 전기변색(EC) 방식과 태양광의 UV 등에 반응하는 소재를 활용한 광전기변색(PEC) 방식 등이 있으며, 별도 전원 공급을 하지 않는 방식도 개발이 진행 중이나 반응속도, 투과도, 색상 등 개선 연구가 진행 중이다. 스마트 윈도우의 기능 구현을 위한 대표적인 전기변색소자의 작동을 위한 전기를 공급하는 방법으로는 기존 전력선에 의한 유선 전기 공급, 리튬 이차전지와 같은 배터리에 의한 공급, 태양전지에 의한 공급이 가능하다. 태양전지에 의한 공급으로 전기변색이 가능한 스마트 윈도우는 반투명 또는 투명 태양전지의 적용이 필요하다. 반투명이 가능한 태양전지로는 무기박막 기반 태양전지, 그리고 유기·하이브리드 소재 태양전지가 가능하며 태양광에 의한 전기변색을 광전기변색(PEC) 스마트 윈도우로 최근 에너지 절감과 심미적 기능으로 많은 관심을 받고 있다. 스마트 윈도우 적용 유기·하이브리드 소재 태양전지는 설치 환경과 건축 요구사항에 맞춘 가시광선 투과도의 조절(반투명/투명), 자유로운 색상 조절, 인쇄 공정과 같은 저가 대량생산에 유리한 공정 적용과 플렉서블 기판 및 소재의 구현이 요구되기도 한다. 또한 독립전원 방식의 무선 자가 발전에 의한 스마트 윈도우의 구현이 바람직하다. 유기·하이브리드 소재 태양전지로는 염료감응 태양 전지(DSSC), 유기 태양전지(OPV), 페로브스카이트 태양전지(PSC) 등이 주요 후보로 연구되고 있으며 적용이 가능하다.