햇빛 줄다리기는?

태양으로 만든 전기 에너지를 활용해 감속 기어가 장착된 모터를 통해 태양과 줄다리기를 할 수 있는 장치

햇빛 줄다리기는 태양광 모듈에서 생산된 전기 에너지를 이용하여 구동장치를 돌림으로써 태양에너지 -> 전기 에너지 -> 운동에너지의 전환 과정을 체험할 수 있도록 하는 교육적 효과가 매우 높은 제품입니다.

에너지 전환 과정을 직접 체험함으로써 창의적인 과학 교육수업에 유용하게 사용할 수 있습니다.

초등학생의 경우 약 7명 정도의 아동이 동시에 줄을 잡아당겨 겨룰 수 있는 정도의 힘을 발휘합니다.

100W의 태양전지 모듈을 사용합니다.

햇빛 줄다리기를 구동 시키는 힘은 태양광 모듈 내에 태양전지(cell)에서 일어나는 광전효과로부터 시작됩니다.

*광전효과란 금속 등의 물질에 일정한 진동수(단위 시간에 진동하는 횟수) 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상입니다.

보통 상태의 원자는 (-)전하를 띠고 있는 전자가 (+)전하를 띠고 있는 원자핵에 의해 속박되어 있습니다.

여기에 빛을 쬐면 빛의 알갱이 광자가 전자와 충돌하게 되며, 전자는 광자가 가진 에너지를 갖게 됨으로써 일함수(전자가 금속을 빠져 나오는데 필요한 최소한의 에너지, 금속마다 다르다) 이상이 되면 전자는 금속 밖으로 튀어 나오게 됩니다

태양 전지는 주로 실리콘(규소)에 불순물을 섞은 두 종류의 반도체를 접합해서 이루어집니다. 하나는 P형 반도체로서 최외각전자가 4개인 4가의 물질 실리콘에 3가 물질 인듐이나 갈륨(Ga)을 극미량 넣으면 그림과 같이 서로 공유 결합하다가 전자가 하나 부족한 곳이 생기는데, 그 구멍을 정공(Hole)이라고 합니다.

이 정공은 (+)전하를 띠는 가상의 입자라고 생각할 수 있으며, 전자를 이동하게 하는 역할을 하게 됩니다.

반대로 4가 물질 실리콘(Si)에 5가의 물질 비소 혹은 안티몬을 넣으면 결합을 하고 나서 1개의 자유전자(Extra eletron)가 남아, 전하가 자유롭게 이동하게 되는데 이런 성질을 띤 반도체를 N형 반도체라고 합니다.

이 두 반도체를 접합시키면 P형 반도체의 정공과, N형 반도체의 전자가 각각 서로 다른 반도체로 확산되어 접합면 부근에 정공과 전자가 존재하지 않는 영역인 공핍층을 형성하게 됩니다. 빛을 쬐어 주면 이 공핍층에서 광전효과가 일어나게 되고, 그로 인해 새로 생겨난 정공과 전자는 내부에서 발생한 전기력에 의해서 양 극단으로 쏠려가게 됩니다.

이런 상태에서 부하를 걸어주면 N형 반도체 끝에 몰린 전자가 회로를 통과함으로써 전류가 형성되게 됩니다.

전환된 전기에너지는 모터에서 운동에너지로 다시 한번 변환되어 햇빛 줄다리기가 구동될 수 있는 힘을 형성합니다.