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  3     모듈형 플랫폼을 이용한 태양광 발전 인프라 구축...
  조회: 10630, 줄수: 8    2008-05-31(11:16:26) from 121.*.*.240

NE Asia-Korea  화석연료를 대체할 신/재생에너지 개발은 더 이상 선택이 아니라 필수 사항이 되었다. 에너지 자급도가 현저히 떨어지는 우리나라의 경우 그 필요성은 두 말할 필요가 없는 상황이다. 유가의 급등과 온실 가스 감축 의무량 할당 등은 이러한 상황을 더욱 부추기고 있다. 다양한 종류의 신/재생에너지 중에서도 특히 태양광 발전은 발전 설비 구축 및 유지에 드는 비용이 가장 저렴할 뿐만 아니라 발전량도 매우 풍부하다(그림 1). 이러한 장점 때문에 태양광 발전에 대한 연구는 전세계적으로 매우 활발하게 진행되어 효율을 지속적으로 높이고 있으며 그에 따라 관련 시장도 빠르게 성장하는 추세이다.

태양광 발전의 이슈
현재 태양광 발전은 kWh당 발전 단가가 다른 에너지원에 비해 매우 높은 실정이다. 따라서 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환 효율을 높이는 것과, 전지 생산의 주재료인 실리콘 가격이 상승함에 따라 실리콘을 보다 적게 사용하면서 더 높은 효율을 내는 전지를 개발하는 것이 커다란 이슈이다. 이로 인해 기존의 결정질 실리콘 웨이퍼를 사용하는 결정질 실리콘 방식의 경우 태양전지의 두께를 얇게 만드는 것이 주요 관심사 중 하나가 되고 있으며, 결정질 실리콘 방식 외에도 염료형 태양전지, 고분자 박막 태양전지 등 다양한 방식의 태양전지에 대한 연구 개발도 활발히 이뤄지고 있다. 현재 태양전지 제조 공정을 갖추었다 해도 빠르게 변화하는 환경에 적응하여 새로운 공정으로의 전환을 신속히 할 수 있는 플랫폼을 갖추는 것이 국제 경쟁력을 갖추는 데에 있어 반드시 필요한 부분이 될 것이다.

우리나라는 정부의 태양광 주택 10만호 보급 사업 등에 힘입어 시장은 커졌으나 정작 중요한 산업 기반은 아직 취약한 상태이다. 우리나라의 주력 산업 중 반도체, 디스플레이 관련 기술은 태양광 발전에도 동일 또는 유사하게 적용되는 부분들이 많아 앞으로 국가 신수종 산업으로서의 역할이 기대되나 아직까지 일본, 독일, 미국 등 태양광 선진국들과의 기술 격차는 상당히 벌어져 있다. 특히 제조 및 검사 장비 등의 격차는 더 크다. 모듈형 플랫폼을 이용한 그래픽 기반 시스템 설계는 태양관 산업과 관련한 인프라 기술 구축에 있어 빠른 시간 내에 노하우를 축적하여 개발 시간을 단축시킬 수 있는 하나의 대안으로 검토되고 있다.

그래픽 기반 시스템 설계
모듈형 플랫폼을 이용한 그래픽 기반 시스템 설계는 크게 소프트웨어와 하드웨어 부문으로 나누어 살펴볼 수 있다. 먼저 소프트웨어적인 특징으로는, 비주얼 C 같은 텍스트 기반의 언어가 아닌 그래픽 기반의 언어를 사용한다는 점을 들 수 있다. 내쇼날인스트루먼트(NI)의 LabVIEW와 같은 그래픽 기반 프로그래밍 언어는 각각의 함수들을 하나의 아이콘으로 표현하고 각 함수에서 계산된 결과 값들을 와이어 연결로 전달해준다(그림 2). 이에 따라 프로그램의 알고리즘을 블록다이어그램에서 직관적으로 파악할 수 있어 프로그램 완성에 드는 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 추후 프로그램의 변경이나 유지/보수도 간편해진다는 장점이 있다. 또한 모델이나 알고리즘을 처음에 설계하고 시뮬레이션 해본 이후 실제 하드웨어에 적용시켜 프로토타이핑을 하고, 그 IP(Intellectual Property)를 최종 단계에서도 거의 변경 없이 양산 제품에서 활용할 수 있다.
하드웨어 부분에서도, 프로토타입과 양산 단계에서 직접 보드를 제작하는 등의 작업 과정에서 많은 시간과 비용을 소비하는 기존 방법과 달리, 모듈화된 상용 제품을 이용하면 하드웨어 개발시간을 단축할 수 있으며 다양한 다른 애플리케이션과의 통합도 손쉽게 처리할 수도 있다.
이러한 그래픽 기반 시스템 설계라는 방법론을 실제 태양전지 애플리케이션에 적용시킬 수 있는 대표적인 예로 I-V 특성 곡선 테스트를 꼽을 수 있다. I-V 특성 곡선 테스트는 태양전지의 효율을 측정하는 대표적인 측정방법이다.
그림 3에서 회색 실선은 태양전지의 회로가 닫힌 상태에서 태양광이 비춰 기전력이 발생한 경우이다. 이 경우 전압과 전류(또는 전류 밀도)가 각각 가질 수 있는 최대값을 곱한 값이 A라고 하면 실제로 전압과 전류는 함수관계를 가지면서 변하기 때문에 가능한 최대전력은 그보다 작은 값 B가 될 것이다. 이렇게 I-V 곡선을 구하면 효율을 나타내는 FF(Fill Factor)값은 FF=B/A로 정의되는데, 이 값이 클수록 전지의 효율은 좋은 것이다.
I-V 특성 곡선 테스트를 수행하는 데에 일반적으로 사용되는 장비는 SMU(Source Measure Unit)이다. 박스형 계측기로도 동일한 기능을 수행할 수는 있으나, 그림 4와 같이 NI의 보드형 SMU를 사용할 경우, 더 빠른 처리속도는 물론 LabVIEW를 이용하여 측정 결과 데이터를 가지고 리포트를 자동으로 생성할 수 있다.

LabVIEW와 CompactRIO
태양광 발전은 원재료인 폴리실리콘의 제조에서부터 태양광 모듈을 어레이 형태로 모아 놓은 태양광 발전 단지 구축에 이르기까지 매우 다양한 제어/계측 기술이 사용된다. 전자 빔 증착 장비를 LabVIEW와 모듈형 하드웨어를 이용하여 개발한 사례를 살펴보자.
오레곤 주립대(Oregon state Univ.)의 존 바그너(John Wager) 박사는 박막형 반도체 개발을 진행 중이었다. 반도체 공정은 기본적으로 태양전지와 유사하게 증착(Deposition) 및 식각(Etching) 등의 공정이 필요하다. 반도체 공정 클린룸 내에는 RF 스퍼터 시스템, CVD(Chemical Vapor Deposition), 이온 빔 증착 시스템과 함께 전자 빔 증착 시스템이 있었다. 하지만 이것은 1980년대에 비주얼 베이직(Visual Basic)으로 프로그래밍한 마이크로컨트롤러로 제어되는 시스템이어서 새로운 시스템을 개발할 필요가 있었다.
새로운 전자 빔 증착 시스템은 미세제어로 600℃ 온도의 증착 대상 기판 위에 패턴화된 증착을 할 수 있어야 했다. 이 시스템을 빠르게 개발하기 위해서 개발팀은 NI의 CompactRIO를 선택했다. CompactRIO는 리얼타임 OS를 탑재한 독립형 임베디드 컨트롤러로, 신호 입출력단이 모듈화되어 있고 FPGA가 내장되어 있어 빠른 속도(Nanosecond Order)로 처리되는 특징을 가지고 있다. 바그너 박사팀은 그래픽 기반의 프로그래밍 언어인 LabVIEW로 FPGA, 리얼타임 프로그래밍을 빠르게 구현하여 새로운 전자 빔 증착 시스템을 구현하였고, 이 시스템으로 빠른 속도로 병렬 루프를 안정적으로 수행할 수 있게 되었다.
모듈형 하드웨어를 사용하여 그래픽 기반 시스템 설계를 구현하는 것은 시스템의 유연성이 높아 시스템 구축 이후의 상황 변화에 보다 능동적으로 대처할 수 있게 해주며, 상용 모듈형 제품의 이용과 그래픽 기반의 프로그래밍으로 시스템 개발 속도를 획기적으로 단축할 수 있는 하나의 방법이다. 기술 인프라와 잠재력은 있으나 아직 태양광 선진국과의 격차가 분명히 존재하는 현재 우리나라의 태양광 산업 기반 확충 및 발전을 위하여 최대한 효율적인 시스템 개발 방법을 고려해보는 것이 어떨까 한다.

윤동원 제품 마케팅 매니저|한국내쇼날인스트루먼트
첨부파일
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