빛으로 움직이는 무공해 자동차의 원리

신문, 방송, 인터넷을 통해 널리 알려진 사실이지만 국제 석유 가격이 꾸준히 오르면서 고유가 시대로 접어들었다. 특히 기름 한 방울 나지 않는 대한민국에서 석유 가격에 가장 민감하게 반응하는 분야가 있다면 자동차를 빼놓을 수 없다. 그래서인지 10원이라도 저렴한 주유소를 인터넷을 통해 찾는 것은 물론이고 불필요한 짐을 버리거나 타이어 공기압을 점검하는 등 연비를 높이기 위한 갖가지 방법이 소개되곤 한다.

태양광 자동차는 친환경적이며 연료를 거의 무한정 공급받을 수 있다.

자동차 회사도 석유 소비량을 줄이기 위한 연구에 투자를 아끼지 않는다. 보다 가벼운 차체와 엔진을 개발하고 연료전지나 하이브리드, 전기와 같이 대체 에너지를 사용한 자동차를 속속 선보이고 있다. 이들 자동차는 서로 이름은 다르지만 공통점이 있는데 바로 전기를 사용한다는 점이다. 결국 전기를 만드는 방법만 다른 것.

다만 연료전지, 하이브리드, 전기 자동차는 모두 연료(전기)를 얻으려면 따로 돈을 지불해야 한다. 그나마 연료전지는 석유보다 저렴한 수소를 사용하지만 그래도 연료를 구입하는데 돈이 필요하다는 점은 변함이 없다. 하이브리드는 석유와 전기를 동시에 사용해 연비가 좋다는 점을 빼면 일반 자동차와 크게 다르지 않고 전기 자동차도 전기료를 내야 한다. 그렇다면 공짜로 연료를 얻어 달리는 자동차는 없을까?

■ 태양전지 효율이 태양광 자동차의 핵심
결론부터 말하면 무한정 연료를 공급받을 수 있는 자동차가 태양광 자동차다. 말 그대로 태양에서 내리쬐는 빛을 전기로 만들어 달리는 자동차를 뜻한다. 여기서 주의할 부분은 태양열과 태양광은 서로 엄연히 다르다는 점이다. 태양열은 태양에서 지구로 날아오는 복사열을 말하며 태양광은 가시광선을 비롯해 적외선, 엑스선, 자외선과 같은 빛을 뜻한다. 즉, 태양열 발전은 뜨거운 열을 이용해 전기를 만드는 것이고 태양광 발전은 태양전지에 모인 빛으로 전기를 만든다.

태양광 자동차의 장점은 분진, 일산화탄소, 아황산가스와 같은 공해 물질이 배출되지 않고 구조가 비교적 간단하다는 점이다. 무엇보다 태양광은 태양이 존재하는 동안에는 거의 무한정 공급받을 수 있어 석유처럼 고갈될 염려가 없다. 물론 태양도 언젠가는 사라지지만 그런 상황을 지켜보려면 무려 50억년이란 시간이 흘러야 한다.

태양광 자동차는 어떤 원리로 움직일까? 원리를 설명하기 전에 태양광에 대해 알아보자. 앞서 잠시 언급했지만 태양광, 그러니까 빛은 적외선, 엑스선, 감마선, 자외선 등 눈에 보이지 않는 물질로 이루어져 있다. 빛을 이루는 물질을 일컬어 광자(光子)라 부르는데 광자는 일종의 에너지라고 생각하면 된다.

일단 태양광이 태양전지 내부에 닿으면 자유롭게 움직이는 자유전자가 되고 자유전자는 각각 '+'와 '-' 전극으로 이동해 전기를 만들어 낸다. 정리하면 태양광에 들어있는 광자가 태양전지 내부로 들어와 전기를 발생시키는 것이다. 한마디로 빛 에너지가 전기 에너지로 바뀐다고 이해하면 쉽다. 이후 태양전지에서 만들어진 전기는 곧바로 축전지에 저장되며 태양광 자동차를 움직이는 모터에 전달된다.

이렇듯 태양광 자동차는 빛이 태양전지에서 만들어지는 과정을 제외하면 특별히 제작이 어려운 것은 아니다. 그럼에도 불구하고 태양광 자동차가 쉽게 상용화되지 못하는 이유는 태양전지 효율이 높지 못해서다. 자동차 종류에 따라 조금씩 다르지만 경차라고 해도 보통 무게가 600Kg 정도고 몸무게가 65Kg인 성인 다섯 명을 태우면 925Kg으로 무거워진다.

현재 판매되고 있는 경차가 50∼60 마력을 가지고 있으므로 이를 와트로 환산하면(1마력은 735.5와트) 약 3만 6,775∼4만 4,130와트가 필요하다. 그런데 현재 가장 널리 쓰이는 태양전지가 1㎡당 100 와트의 힘을 내므로 경차 한 대를 움직이기 위해서는 최소 360㎡(108평) 크기의 태양전지가 필요하다. 경차 한 대 몰자고 360㎡ 크기를 가진 태양전지를 들고다닐 수는 없는 노릇이다.
 

무게는 최대한 줄이고 태양전지는 가급적 많이 붙여야하는 태양광 자동차는 디자인이 일반 자동차와 크게 다를 수밖에 없다. (사진 : 진주산업대학교 자동차공학과)	효율이 좋은 태양전지는 주로 우주선이나 인공위성에 많이 쓰이지만 가격이 비싼점이 흠이다. 또한 유지 보수도 어렵다. (사진 : 나사)

상황이 이렇다보니 태양광 자동차 제작이 만만치 않다. 진주산업대학교 심한섭 교수는 "널리 쓰이는 태양전지 효율은 15% 정도에 불과해 태양광 자동차 상용화가 쉽지 않다"며 "효율이 좋은 태양전지도 있지만 가격이 비싸 우주선이나 인공위성에 주로 사용되는 상황"이라고 말했다.

문제는 태양전지에만 있는 것이 아니다. 일단 태양전지에서 전기가 만들어지면 이를 축전지에 저장해야 하는데 자동차에 널리 사용되는 납축전지는 무게가 무겁다. 물론 축전지를 효율이 좋은 은-아연 방식으로 바꾸면 문제가 어느 정도 해결되지만 가격이 비싸다는 것이 흠이다. 이제까지 선보인 태양광 자동차 모양이 UFO처럼 납작하고 탑승 인원도 1∼2명에 불과했던 이유가 바로 여기에 있다. 무게는 최대한 줄이고 태양전지는 가급적 많이 붙여야 했기 때문이다.

하지만 태양전지 효율을 저렴한 가격에 높이기 위한 노력도 계속되고 있다. 지난 7월에는 광주과학기술원 이광희 교수가 플라스틱과 유기물을 사용한 태양전지를 개발했는데 이를 사용하면 1와트 전기를 만드는데 100원 정도면 충분하다. 1와트 전기를 생산하는데 필요한 가격이 2,000원이었던 기존 태양전지에 비해 훨씬 저렴한 셈. 여기에 플라스틱 유기물 태양전지는 소재가 유연해 의복이나 책상, 창문 등 활용 분야가 넓다.

"태양광 자동차의 원리는 간단하지만 이를 상용화하려면 차제, 태양전지, 축전지 재질을 기초부터 꼼꼼하게 따져야 한다"며 "특히 태양전지 효율이 태양광 자동차 상용화의 핵심이므로 정부차원에서 기초과학에 꾸준한 투자가 이루어져야 할 것"이라고 심한섭 교수는 덧붙였다.