차세대 열전소자, 태양광 출력 15배 향상 실현

재생 에너지는 자연 자원에서 얻어지고 지속적으로 보충되기 때문에 화석 연료 의존도를 줄이고, 기후 변화를 해결하며, 지속 가능한 에너지 미래에 대한 우리의 필요를 충족시킬 수 있습니다.

이러한 풍부하고 자연적으로 보충되는 에너지원은 최소한의 배출량을 가지고 있으며, 햇빛, 바람, 물, 바이오매스, 지열을 포함합니다.

이 중에서 태양 에너지는 재생 에너지의 주요 원천입니다. 태양은 무한한 전력 공급원으로, 태양 에너지는 고갈되지 않아 가장 풍부한 재생 에너지 원천이 됩니다.

2024년 전 세계 태양광 발전은 사상 최고치를 기록했으며, 설치 용량이 600GW를 초과해 전년 대비 33% 증가했으며, 전 세계 신규 재생 에너지 용량의 81%를 차지했습니다. 그 결과, 태양광은 전 세계 전력 공급의 약 7%를 차지했으며, 불과 3년 만에 전력 믹스에서의 비중이 거의 두 배로 늘어났습니다.

국제 에너지 기구(IEA)는 실제로 2029년까지 태양광 발전(PV)이 가장 큰 재생 에너지 원천이 될 것으로 예상하고 있으며, 이는 지원 정책과 태양광 패널에서 생산되는 전기의 비용 급감 덕분입니다.

PV 셀 또는 태양 전지는 햇빛을 직접 전력으로 변환하는 장치입니다. 일부 셀은 인공광도 전기로 변환할 수 있습니다. 그러나 문제점이 없습니다는 아닙니다. PV 셀의 주요 제한 요인 중 하나는 온도로, 이는 변환 효율에 크게 영향을 미칩니다.

이때 또 다른 널리 사용되는 기술인 태양열 열전(TE)이 등장합니다.

태양광 PV를 넘어 태양열 열전 발전기(STEGs)로

열전 발전기(TEG)는 폐열을 전기에너지로 변환함으로써 PV 셀의 변환 효율 문제를 해결할 수 있습니다.

TEG는 높은 신뢰성, 긴 수명, 기계적 움직이는 부품이 없다는 점으로 알려져 있어 고온 환경에서 PV 셀과 통합하기에 실현 가능하고 유망한 옵션입니다.

시벡 발생기라고도 불리는 열전 발전기(TEG)는 시벡 효과를 통해 열을 직접 전기로 변환하는 장치입니다.

이 효과에서는 서로 다른 두 도체 또는 반도체 사이의 온도 차이가 전하 운반자의 이동으로 인해 전압을 생성합니다.

열이 한쪽 도체 또는 반도체에 가해지면 전자는 차가운 쪽으로 이동하여 전위 차이를 만들고, 회로에 연결되면 직류가 흐르게 됩니다.

따라서 시벡 효과에 기반해 TE 재료는 양 끝에 온도 차이가 있을 때 전압을 생성합니다. 이를 태양 흡수체와 열 방출체 사이에 배치해 온도 차이를 만들고 전력을 생산하면, 이를 태양열 열전 발전기(STEGs)라고 부릅니다.

이러한 STEG의 열-전기 변환 효율은 TE 재료의 무차원 성능 지표인 ZT와 장치의 고온 측과 저온 측 사이의 온도 차이에 의해 결정됩니다.

그 결과, STEG의 태양 흡수체는 훨씬 넓은 흡수 대역을 가지고 있어 반도체 밴드갭 근처의 좁은 햇빛 대역만 활용할 수 있는 태양 PV와 달리 전체 태양 스펙트럼의 광자를 활용할 수 있습니다. 그러나 열전 효율은 매우 낮습니다.

최근 연구에 따르면, 수십 년에 걸친 광범위한 연구에도 불구하고 TE 재료의 ZT 값은 여전히 약 1 수준에 머물고 있습니다. ZT는 열전 재료 성능을 평가하는 핵심 지표이며, 높은 ZT 값은 주어진 온도 차이에서 전기를 생산하는 데 더 효율적인 열전 재료를 의미합니다.

고효율 열전(TE) 재료와 컴팩트한 열 싱크의 부재가 STEG의 상업적 채택을 제한하고 있습니다.

이러한 문제들을 해결하기 위해 연구팀은 무게는 25%만 증가시키면서 STEG의 전력 생산을 15배 향상시킬 수 있는 전략을 개발했습니다.

STEG 효율성 과제: 더 나은 흡수체 및 열 방출체의 필요성

전 세계 에너지 수요는 인구와 경제 성장에 의해 급격히 증가하고 있습니다.

IEA에 따르면, 전 세계 전력 수요는 2024년에 4.3% 증가했으며, 이는 2023년 2.3% 증가보다 큰 폭입니다.

따라서 앞으로 세계는 에너지 공급을 지속적으로 늘려야 하며, 특히 기후 변화에 대응하고 온실가스(GHG) 배출을 줄이며 에너지 독립을 달성하기 위해 청정 에너지가 필요합니다.

지속 가능한 청정 에너지를 위한 이 탐구에서 연구자들은 태양열 열전 발전기(STEGs)를 유망한 태양 전기 생산 원천으로 주목했으며, 이는 햇빛뿐만 아니라 다른 형태의 열 에너지도 활용할 수 있기 때문입니다.

하지만 현재 대부분의 STEG는 햇빛을 1% 미만으로 전기로 변환하는 반면, 가정용 태양광 패널 시스템은 15%에서 20%의 변환 효율을 달성할 수 있습니다.

따라서 이러한 장치를 실제로 활용하려면 먼저 효율성 제한을 극복해야 합니다.

우리가 필요로 하는 것은 STEG 전력 생산을 향상시킬 새로운 방법을 고안하는 것입니다. 태양열 열전 발전기는 온도 차이가 클수록 더 많은 전력을 생산하며, 이는 뜨거운 쪽에서 태양 에너지 흡수를 극대화하고 열 손실을 최소화하며, 차가운 쪽에서 효율적으로 열을 방출함으로써 달성할 수 있습니다.

게다가 STEG는 웨어러블 전자기기, 의료 센서, 무선 센서 네트워크 및 항공 전자 장치를 구동하는 데 유용할 수 있습니다.

하지만 이러한 고출력 밀도 응용 분야는 뜨거운 쪽에 경량 선택적 태양 흡수체(SSA)와 차가운 쪽에 열 방출체가 필요합니다. 최대한의 태양 에너지를 활용하려면 흡수체(SSA)는 태양 스펙트럼 범위(300–2500 nm)에서 높은 광학 흡수를 보이며, 적외선(2.5–20 μm)에서는 낮은 방출율을 유지해 복사 손실을 최소화해야 합니다.

흡수체의 광학 성능은 구조 설계와 재료 선택을 통해 최적화될 수 있습니다.

여기에는 플라스몬 흡수체, 이중 세라믹 층 흡수체, 다층 필름 흡수체, 포톤 결정 흡수체가 포함됩니다. 그러나 이러한 모든 진보에도 불구하고 대부분의 흡수체는 복잡한 장비와 시간 소모적인 제조 공정을 필요로 하며, 이는 저렴한 비용으로 규모 확대를 제한합니다.

또한, STEG의 출력 전력을 높이려면 차가운 쪽 온도를 낮추고 온도 차이를 늘리기 위해 부피가 크고 복잡한 냉각 시스템이 필요해 또 다른 과제를 제시합니다.

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블랙 메탈 기술과 펨토초 레이저: 게임 체인저 전략

STEG 문제를 극복하기 위해 로체스터 대학교 광학 연구소의 연구원들은 무게를 줄이고 전력 생산을 늘리는 스펙트럼 엔지니어링 및 열 관리 전략을 개발했습니다.

이보다 강력한 STEG 장치를 만들기 위한 새로운 기술은 Light: Science and Applications에 게재된 연구에서 자세히 다루어졌습니다. study¹ published in Light: Science and Applications.

“수십 년 동안 연구 커뮤니티는 STEG에 사용되는 반도체 재료 개선에 집중해 왔으며, 전체 효율성에서 다소 제한적인 향상만을 이루었습니다.”

– Chunlei Guo, 로체스터 레이저 에너지 연구소의 광학 및 물리학 교수이자 선임 과학자.

그는 덧붙였습니다:

“이번 연구에서는 반도체 재료 자체를 다루지 않았습니다—대신 장치의 뜨거운 쪽과 차가운 쪽에 집중했습니다. 뜨거운 쪽에서 더 나은 태양 에너지 흡수와 열 포집을, 차가운 쪽에서 더 나은 열 방출을 결합함으로써 효율을 놀라울 정도로 개선했습니다.”

핵심은 특수 블랙 메탈 기술이었습니다. 2020년에 같은 팀은 펨토초(fs) 레이저를 사용해 몇 달 전에는 불가능했던 금속 구조물을 만들었으며, 이를 통해 고효율 태양 전력 발생기를 개발할 수 있음을 보여주었습니다.

당시 그들은 반짝이고 고반사성 금속 표면을 완전히 검게 만들어 블랙 메탈 기술이라고 명명했습니다. 펨토초 레이저 펄스를 사용하면 거의 모든 금속을 검게 만들 수 있습니다.

팀은 구리, 강철, 알루미늄, 텅스텐을 실험했습니다. 나노 규모 구조 처리 후 텅스텐이 가장 높은 태양 흡수 효율을 보였으며, 기존 텅스텐 대비 열전 생산 효율을 130% 향상시켰습니다. 텅스텐은 일반적으로 열태양 흡수체로 사용됩니다.

따라서 이를 기반으로 이번에는 연구원들이 일반 텅스텐(W)을 뜨거운 쪽에서 fs 레이저 처리 기술을 통해 흡수체(W-SSA)로 변환했습니다.

텅스텐은 표면을 완전히 검게 변환함으로써 ‘블랙 메탈’로 바뀌었으며, 이는 태양 파장대에서 선택적으로 빛을 흡수하면서 다른 파장대에서는 열 방출을 감소시켜 높은 효율을 달성했습니다.

이는 강력한 fs 레이저 펄스를 이용한 초고속 정밀 에칭을 통해 금속 표면에 나노 규모 구조를 형성함으로써 달성되었습니다. 따라서 반도체 재료 자체를 수정하는 대신, 팀은 뜨거운 쪽이 햇빛을 흡수하고 열을 유지하는 방식을 개선했습니다.

텅스텐 선택적 태양 흡수체(W-SSA)를 위한 온실 챔버도 제작되어 대류 손실을 감소시켰습니다.

농장에서와 같이 작은 온실을 만들기 위해 블랙 메탈을 플라스틱 조각으로 덮었습니다. 구오 교수는 “대류와 전도를 최소화하여 더 많은 열을 가두고 뜨거운 쪽의 온도를 높일 수 있다”라고 말했습니다. 팀은 열 손실을 40% 이상 감소시켰습니다.

한편 차가운 쪽에서는 동일한 레이저 기술을 사용해 일반 알루미늄(Al)을 미세 구조가 있는 대용량 열 방출체로 변환했습니다. 이는 복사와 대류를 통한 열 방출을 개선하는 히트싱크를 만들었습니다.

처리된 알루미늄의 냉각 성능은 일반 알루미늄 열 방출체의 두 배에 달했습니다.

이 모든 과정에서 보듯이, fs 레이저 처리 기술이 핵심 역할을 했습니다. 특히 이 기술은 한 단계만 필요하고 확장성이 있습니다. 이 간단한 감산 기술은 폴리머, 유리, 유전체, 반도체, 금속 등 복잡한 형상의 다양한 재료에도 적용될 수 있습니다.

순수한 물리적 접근 방식이기 때문에 다른 방법보다 환경 친화적입니다.

펨토초(1경분의 1초) 레이저는 알루미늄에 다양한 미세구조를, 텅스텐에 나노구조를 형성했습니다.

그 후, 이러한 구조의 크기와 밀도를 최적화함으로써 연구진은 뜨거운 쪽에서 텅스텐의 태양 흡수를 높이고 IR 방출율을 최소화했습니다. 고온에서 80% 이상의 흡수 효율을 달성했습니다.

차가운 쪽에서는 알루미늄의 전체 흑체 복사 스펙트럼에 걸쳐 IR 방출율을 높이고, 열 방출을 위한 표면적을 확대했습니다. 이를 통해 태양-열 변환 효율이 크게 향상되었습니다.

팀은 기존 방법보다 훨씬 효율적으로 LED를 구동할 수 있는 태양열 열전 발전기(STEG)를 시연했습니다.

가오 연구원은 이 기술이 웨어러블, 스마트 디바이스, 사물인터넷(IoT)용 자율 센서와 같은 마이크로 전자 장치를 구동하는 데에도 사용할 수 있다고 언급했습니다. 또한 원격 및 농촌 지역에서 오프그리드 재생 에너지 시스템으로 활용될 수 있습니다.

연구에 따르면, STEG는 스펙트럼 분할 하이브리드 PV-TE 시스템 및 저비용 염료 감응 태양전지(DSC)와 같은 첨단 태양 에너지 장치와 결합해 저조도에서도 전력을 생산할 수 있어 전력 수요가 높은 응용 분야의 에너지 출력을 향상시킬 수 있습니다.

태양 에너지에 투자하기

재생 에너지 분야에서 Nextracker Inc. (NXT )는 고성장 기업으로 눈에 띕니다.

시가총액 100억 달러를 가진 NXT 주식은 현재 $67.59에 거래되고 있으며, 올해 현재까지 85% 상승했습니다. 지난 주에 주가는 약 $69로 새로운 고점을 기록했습니다. 이에 따라 EPS(TTM)는 3.67, P/E(TTM)는 18.42입니다. 배당 수익률은 없습니다.

Nextracker Inc. (NXT )

Nextracker는 전기 솔루션, 통합 트래커, 수율 최적화 및 제어 시스템을 제공하는 태양광 기술 플랫폼 제공업체입니다. 회사의 첨단 기술은 태양광 발전소가 하늘을 가로지르는 태양의 움직임을 따라가며 성능을 최적화하도록 합니다.

그 제품 및 서비스에는 NX Foundation, NX Horizon, NX Navigator, NX Global, PowerworX, TrueCapture, 그리고 Services Electrical Balance of System(eBOS)이 포함됩니다.

이번 달 Nextracker는 지속 가능성 보고서를 발표했으며, 여기서 총 기록 가능한 사고율(TRIR) 0.61을 달성해 미국 안전 운영 목표인 1.2를 초과했다고 언급했습니다.

Nextracker는 모든 토양 유형에서 태양광 설치를 개선하기 위한 NX Foundation Solutions를 도입했습니다. 또한 NX Horizon 저탄소 트래커(LCT) 시스템을 출시해 트래커 관련 탄소 배출을 최대 35% 감소시켰습니다.

온실가스 배출 및 자원 효율성에 관해, 회사는 전 세계적으로 인정받는 프레임워크(SBTi)에 맞춘 목표를 설정하고, 최초의 기후 재무 공시(Task Force Climate Financial Disclosure, TCFD) 지수를 발표했으며, Scope 1 및 Scope 2 온실가스 배출 데이터에 대해 제3자 검증을 받았고, 미국에서 ISO 14001:2015 환경 경영 시스템 인증을 획득했습니다.

ISO 9001 인증도 미국, 인도, 브라질 전반의 운영에 대한 품질 관리에 대해 획득했습니다.

이와 같은 상황에서 Nextracker는 남미 국가의 최대 재생 에너지 기업 중 하나에 최근 선정되었습니다. Casa dos Ventos는 브라질의 네 개 신규 프로젝트에 1.5GW 규모의 태양광 트래커 시스템을 제공하도록 Nextracker를 선택했습니다. 여기에는 태양광 및 태양광-풍력 하이브리드 프로젝트가 포함됩니다.

“Casa dos Ventos와 같은 재생 에너지 선두 기업으로부터 다중 프로젝트 약속을 확보하는 것은 오늘날 태양광 산업에서 성능과 장기 신뢰성을 위한 신뢰할 수 있는 파트너십의 중요성이 커지고 있음을 반영합니다.”

– Alejo Lopez, Nextracker 라틴아메리카 부사장

Nextracker는 UC Berkeley와 협력해 새로운 연구 센터(CAL-NEXT 태양 에너지 연구 센터)를 설립했으며, 이는 미래 에너지 수요를 지원하기 위한 태양광 발전소 기술을 발전시키기 위함입니다. 회사는 이 이니셔티브에 650만 달러를 기부했습니다.

회사 재무와 관련해, 지난 달 말에 2026 회계연도 1분기(2025년 6월 27일 종료)를 보고했습니다. 이 기간 동안 매출은 8억 6400만 달러로 전년 대비 20% 증가했습니다.

GAAP 총이익은 전년 대비 19% 증가한 2억 8200만 달러였으며, GAAP 영업이익은 16% 상승한 1억 8600만 달러였습니다. 조정된 총이익은 18% 상승해 2억 8500만 달러, 조정 EBITDA는 23% 상승해 2억 1500만 달러였습니다. 이 기간 동안 Nextracker의 총 백로그는 47억 5천만 달러를 초과했습니다.

또한 영업 현금 흐름은 8100만 달러였으며, 분기 말 현금은 7억 4300만 달러였고 부채는 없었습니다. 이번 분기에 회사는 새로운 성장 이니셔티브를 지원하기 위해 8680만 달러를 전략적 인수에 투자했습니다.

“Nextracker는 모든 주요 재무 지표에서 또 다른 강력한 분기를 기록했으며 시장 점유율 상승 모멘텀을 지속했습니다.”

– 창립자 겸 CEO Dan Shugar

지난 달 Nextracker는 AI 및 로보틱스 사업 이니셔티브 출범을 발표했습니다. “전 세계 에너지 수요를 충족하기 위해 태양광을 확장하려면 발전소 구축 및 운영 방식에 새로운 수준의 자율성이 필요합니다”라고 새로 임명된 AI 및 로보틱스 최고 책임자 Francesco Borrelli 박사가 말했습니다.

이는 태양광 발전소 배치, 신뢰성 및 장기 ROI를 강화하기 위해 4천만 달러 이상을 투자한 후의 일입니다. 여기에는 자율 조사 및 화재 경보 시스템을 위한 OnSight Technology, 태양광 프로젝트 현장의 고해상도 3D 현장 지도 작성을 위한 SenseHawk IP, 토양 관련 수율 손실을 줄이기 위한 Amir Robotics이 포함됩니다.

Shugar는 “이미 40개국에서 약 100GW 규모의 운영 시스템에 수백만 개의 센서와 제어 노드가 배치되어 있어 Nextracker는 AI와 로보틱스를 대규모로 활용할 독특한 기회를 가지고 있습니다”라고 말했습니다.

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결론

태양 에너지는 세계를 전력화하는 가장 유망하고 청정한 방법 중 하나입니다. 이미 태양광 PV 채택이 빠른 속도로 증가하고 있지만, 물론 재생 에너지로 가는 길이 단일 기술에만 의존하지는 않을 것입니다.

광전지, 열전, 첨단 나노재료를 결합한 하이브리드 시스템이 태양광 발전의 미래에 핵심이 될 것입니다.

한때 재료 비효율성이 태양열 열전 기술을 제한했지만, 이제는 새로운 열 관리 및 나노구조 기술을 통해 장벽을 허물고 있습니다. STEG의 최신 돌파구는 반도체 성능뿐 아니라 재료와 구조 수준의 혁신이 인상적인 효율 향상을 가능하게 하고 증가하는 에너지 수요를 충족시킬 수 있음을 보여줍니다.

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참고문헌:

1. Xu, T., Wei, R., Singh, S.C., et al. 펨토초 레이저 스펙트럼 엔지니어링 및 열 관리에 통한 태양열 열전 발전기 성능 15배 증가. Light: Science & Applications, 14, 268, published 12 2025년 8월. https://doi.org/10.1038/s41377-025-01916-9
2. Zhan, Z., ElKabbash, M., Cheng, J., Zhang, J., Singh, S., & Guo, C. 수상 응용을 위한 고부유성 초소수성 금속 어셈블리. ACS Applied Materials & Interfaces, 11(51), 48512–48517, published 26 2019년 12월. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15540
3. Jalil, S.A., Lai, B., ElKabbash, M., et al. 펨토초 레이저 처리 금속의 스펙트럼 흡수 제어 및 태양열 장치에의 적용. Light: Science & Applications, 9, 14, published 4 2020년 2월. https://doi.org/10.1038/s41377-020-0242-y