국내연구진, 차세대 플렉서블 전자기기용 유기태양전지 개발

김범준 한국과학기술원 생명화학공학과 교수

[이데일리 오희나 기자] 국내 연구진이 플렉서블 디스플레이 및 스마트 안경 등 차세대 플렉서블·웨어러블 전자기기의 에너지원으로 각광받고 있는 유기태양전지의 상용화 가능성을 한층 높였다.

기존 유기태양전지에 사용되는 풀러렌을 고분자로 대체해 기존보다 신축성은 60배 이상, 내구성은 470배 이상 향상시킨 것이다.

미래창조과학부는 12일 글로벌프런티어 멀티스케일에너지시스템연구단의 김범준 교수팀과 김택수 교수팀은 풀러렌 대신 ‘N형 전도성 고분자’라는 물질을 사용해 기존 풀러렌 기반 유기태양전지보다 훨씬 뛰어난 내구성을 가지면서도 동시에 높은 효율로 전력을 생산할 수 있음을 최초로 규명했다고 밝혔다.

‘N형 전도성 고분자’를 사용한 유기태양전지는 풀러렌을 사용한 유기태양전지보다 60배 이상 향상된 연신율과 470배 이상 향상된 인성을 보였으며, 효율 또한 6.64%로 상용화에 근접한 수치를 보였다.

차세대 플렉서블·웨어러블 전자기기의 구동 에너지원은 반드시 유연하며 휴대가 가능해야 한다. 유기태양전지는 가볍고 유연한 유기물 박막을 기반으로 하기 때문에 기존 무기태양전지에 비해 유연하고 가벼우며, 우수한 빛 흡수력과 낮은 공정단가 등 많은 장점을 가지고 있어 주목을 받고 있다.

하지만 기존 유기태양전지는 효율은 높지만 그 안에 포함된 풀러렌의 취성(잘 깨지는 성질) 때문에 플렉서블 소자에 사용하기에는 내구성이 부족해 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

이에 반해 유기태양전지에 풀러렌 대신 고분자를 사용하면 고분자의 유연함과 고분자 사슬 사이의 얽힘 효과에 의해 높은 효율을 유지하면서도 내구성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 예상돼 왔다.

이 과정에서 김범준 교수팀은 새로운 고효율 고분자 태양전지 시스템 개발을, 김택수 교수팀은 개발된 고분자 태양전지의 기계적 특성 분석을 담당하여 협동 연구를 수행했다. 앞으로도 연구진은 최종적으로 플렉서블 태양전지의 상용화라는 공동의 목표를 가지고 협업해서 기술을 완성시켜 나갈 예정이다.

김범준 교수는 “이번 연구를 통해 고분자 태양전지가 높은 효율뿐만 아니라 소자의 기계적 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인했다”며 “이를 필요로 하는 다양한 부착형, 휴대용 소자 구현을 앞당겨 산업계로 큰 파급효과가 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김범준 교수와 기계공학과 김택수 교수가 주도하고 김태수 박사과정 연구원(제1저자)등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구단, 중견연구자지원사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원으로 진행됐다. 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications) 9일자(온라인)에 게재됐다.

풀러렌을 대신하는 전도성 고분자 도입을 통한 유기태양전지의 효율 및 기계적 안정성 향상 개략도