유연한 태양광 패널이 자율 드론의 비행 시간을 연장하다

오스트리아 요하네스 케플러 대학교 린츠 연구진은 소형 드론에 사용할 수 있는 매우 얇고 가벼운 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 2024년 Nature Energy에 발표된 연구에서는 태양광으로 배터리를 충전하고 짧게 비행하는 과정을 반복했다. 무제한 비행이나 충전이 전혀 필요 없는 상용 드론이 입증된 것은 아니다.

드론에서는 무게가 왜 중요한가?

모터와 제어 장치, 센서는 전력을 소비한다. 배터리를 키우면 저장 에너지는 늘지만 무게도 증가해 비행시간의 이득을 줄일 수 있다. 태양전지는 비행 사이에 배터리를 충전할 수 있으나 전지 자체가 충분히 가벼워야 한다. 화성 헬리콥터 인저뉴어티도 태양광으로 배터리를 충전했지만, 이번 연구는 지구에서 소형 쿼드콥터로 실시한 별도의 실험이다.

태양전지의 구조

연구진은 광활성층에 알파-메틸벤질암모늄 아이오다이드를 넣은 준2차원 페로브스카이트를 사용했다. 전지는 두께 2.5마이크로미터 미만의 고분자 필름 위에 만들었으며, 필름에는 산화알루미늄 보호층을 입혔다. 투명 전도성 산화물을 사용하지 않은 이 구조는 무게를 낮추면서 유연성과 안정성을 높이도록 설계됐다. 장기간 실제 운용에서의 내구성은 계속 검증해야 한다.

실제로 측정한 성능

가장 성능이 좋은 전지의 질량당 출력은 그램당 44와트였고 평균은 그램당 41와트였다. 최고 광전 변환 효율은 20.1%, 평균은 18.1%였으며 개방회로 전압은 1.15볼트였다. 이 수치는 전지 측정 결과이지 드론 모터의 지속 출력이나 모든 날씨에서의 효율을 뜻하지 않는다.

연구진은 면적이 각각 1제곱센티미터인 전지 24개를 연결해 모듈을 만들었다. 모듈 무게는 드론 전체 무게의 약 400분의 1이었다. 짧은 비행과 태양광 충전·비행·재충전 주기를 시연했으며, 드론이 밤낮으로 계속 비행한 것은 아니다.

가능한 용도와 남은 과제

무게에 비해 높은 출력은 작은 드론, 휴대용 전자기기, 센서에 유용할 수 있다. 실제 효과는 일조량, 날씨, 패널 방향, 배터리, 탑재량 및 전지 수명에 따라 달라진다. 이번 실험만으로 화성 탐사나 장시간 구조 임무에서 충전 없이 운용할 수 있다고 결론 내릴 수 없다.

정리

초경량 페로브스카이트 태양전지는 실험에서 높은 질량당 출력을 보였고 소형 드론의 태양광 보조 비행 주기를 가능하게 했다. 널리 활용하려면 다양한 실제 환경에서 성능과 내구성을 더 확인해야 한다.