첨단 기술 속 고분자(광섬유와 태양광 전지)

광섬유

 

우리는 과학 시간에 빛의 성질에 대해 배우면서 빛이 직진한다고 배웠습니다. 그리고 빛이 통과하지 못해서 생기는 것이 그림자라고 배웠습니다. 이러한 빛의 특성에 대해 더 배우면 굴절, 회절, 산란, 반사, 흡수 등에 대해서도 알게 됩니다. 여기서 빛의 굴절을 잘 이용하면 빛을 마음대로 굽힐 수 있으며, 이를 이용해 우리는 현재 초고속 인터넷 망과 건강검진을 위한 내시경 검사에서도 활용하고 있습니다. 이 기술이 바로 광섬유 기술입니다.

광섬유에서 빛이 섬유를 따라 굽어지는 이유를 이해하려면 공기와 물에서의 계면에 나타나는 굴절률에 대해 알아보는 것이 도움이 됩니다. 굴절률이 작은 공기에서 물속으로 입사하는 빛은 수직선을 향해 굴절됩니다. 이로 인해 물고기는 어부가 실제로는 멀리 떨어져 있어도 가까이 있는 것으로 착각하고 경계를 시작합니다. 또한 어부는 먼 곳에 있는 물고기는 보지만 발밑의 물고기는 보기 어려운 것입니다. 이는 모두 빛의 경계면에 대한 입사각에 따라 거리가 다르게 느껴지기 때문입니다.

두 매개물질 사이의 굴절률 차이가 크면 한계각이 작아져 빛의 입사각에 상관없이 전반사를 달성할 수 있습니다. 이를 이용한 첨단 제품이 바로 광섬유입니다. 전반사로 인해 빛은 굽힘의 영향을 받지 않고 섬유를 따라 진행하게 됩니다. 광섬유에는 유리 광섬유와 플라스틱 광섬유가 있으며, 각각의 소재 성분에 따라 신호를 전송하는 방식과 파장이 달라집니다. 두 종류 모두 중심과 외피로 구성되어 있지만, 재료의 굴절률 차이는 적어도 0.1 이상이어야 합니다.

유리 광섬유 중 고분자 소재인 폴리메틸메타크릴레이트는 소위 아크릴 판재로써 광고판, 자동차 램프 덮개, CD 등에 많이 쓰이며 우리나라 화학회사에서 대량 생산되고 있습니다. 플라스틱 광섬유 중 고분자 소재인 폴리이소부테닐비닐에텔은 특수한 불소 수지로서 국내에서 생산되지 않습니다. 유리 광섬유는 불순물이 플라스틱 광섬유보다 훨씬 적어 광손실이 적습니다. 그래서 비싸고 깨지기 쉽고 끝 부분 접착이 어려운 점에도 불구하고, 국가 간, 대륙 간 장거리 통신망에는 모두 유리 광섬유를 사용합니다. 반면 플라스틱 광섬유는 저렴하고 가공이 용이하지만 광손실이 많아 근거리 통신망이나 장식용으로 많이 사용됩니다. 유리 광섬유의 개발로 인터넷 기술 또한 가능해졌습니다. 광섬유는 특히 의료 분야에서 매우 중요한 역할을 수행하고 있으며, 차세대 의료 기술의 필수 기술이기도 합니다. 이처럼 의료 분야에도 고분자 재료는 핵심 역할을 하고 있습니다.

 

태양광 전지

 

지구의 에너지는 사실 태양에서 왔다고 볼 수 있습니다. 태양의 빛과 열이 탄소 동화작용에 의해 식물로 변환되고, 석유와 석탄, 우라늄조차 땅속에 묻혀 있는 태양 에너지입니다. 동물 또한 식물 에너지를 매개로 한 태양 에너지의 축적체입니다. 지구는 현재 심각한 에너지 고갈과 환경 문제에 직면해 있습니다. 전 세계 인구는 빠른 속도로 증가하고 있으며, 1인당 에너지 소비량도 급격히 늘어나고 있습니다. 게다가 선진국들은 에너지원 발전, 예를 들어 원자력과 화력 발전과 같은 발전 산업에 환경단체들의 저항으로 에너지 문제는 점점 더 중요해지고 있습니다.

친환경 에너지로는 수력, 태양, 풍력, 조력 등 여러 가지가 있지만, 그 중 태양 에너지가 지형, 환경 등의 여건에 영향을 가장 적게 받습니다. 따라서 미래 인류가 직면할 에너지 문제를 근본적으로 해결하는 방안으로 태양 에너지가 주목받고 있습니다. 그러나 태양 에너지는 지역, 계절, 주야, 일기 등에 따라 크게 변하므로 고밀도로 모으기가 어렵다는 문제점이 있습니다. 이런 문제로 인해 인류는 상대적으로 사용하기 편리한 천연가스, 석유, 석탄에 의존해 왔습니다.

태양광에는 파장 범위에 따라 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색의 가시광선 외에 일부 자외선과 적외선이 포함되어 있습니다. 그중 태양광 전지는 자외선과 가시광선 에너지를 전기로 변환하여 이용합니다. 이제 전지에 대해 잠시 살펴보면, 물질에서 전자가 튀어나오는 것은 그 물질에 양전하가 생겼다는 뜻이며, 양전하가 흐르는 것이 전기가 흐른다는 것을 의미합니다. 이 전기를 공업 용도로 활용하기 위해서는 전자가 발생하는 효율이 높아야 합니다. 이러한 광전 효율을 높이기 위한 많은 연구를 통해 유기 화합물(고분자), 무기 화합물, 실리콘 등이 개발되었습니다. 그 중 실리콘 원소가 태양광 전지 소재로 현재 가장 많이 사용되고 있습니다. 실리콘의 단결정이 가장 먼저 우주선의 에너지원으로 사용되었으며, 다결정은 결정 성장 기술에 의해 만들어졌습니다. 우리나라의 태양광 전지는 실리콘으로 만들어져 휴대용 계산기에 쓰인 것이 좋은 예입니다. 현재 LG전자, 동양제철화학 등에서 대량 생산을 가동하고 있으며, 과거에 비해 주택 지붕에 설치된 태양 전지를 쉽게 볼 수 있습니다. 이들 모두 실리콘을 소재로 하여 만들어졌습니다.

실리콘에 비해 무기 화합물은 독성이 강하고 사용하기 어렵고 집광 판막으로 만들기 어려운 점이 있습니다. 유리 기판 위에 진공 증착 등의 기술로 만들어지며 생산하기 어려운 점이 있으나 미국 일부 회사에서 대량 생산에 성공한 사례도 있습니다. 이 두 가지 재료는 모두 형태 변형이 어려우며 집광을 위한 넓은 면적이 필요하고 태양의 이동에 따라 움직이기도 어렵습니다. 그러나 고분자 물질의 유기 재료는 쉽게 굽히고, 분자 구조 설계에 따라 합성할 수 있는 다양성으로 자원에 한정되지 않는 장점을 가지고 있습니다. 그래서 현재는 광전 효율이 낮지만 차세대 기술로 연구 개발이 집중되고 있습니다. 많은 나라들이 태양광을 전기에너지로 변환하려는 연구를 수행하고 있으며, 이러한 투자와 기술 개발로 우리는 미래에 화석 연료를 대체할 청정에너지를 이용할 수 있을 것입니다.