우리 대학 연구진이 투명하고 유연한 소재의 유기 태양전지 전극을 개발했다. 이를 활용하면 건물과 차량의 외벽, 비닐하우스의 지붕, 웨어러블 기기 등 그동안 태양광 발전이 어려웠던 곳에도 안정적으로 태양전지를 적용할 수 있게 될 전망이다. 

박성준 교수(전자공학과)·김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원분자과학기술학과) 연구팀은 유연 고내구성의 반투명 유기 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘초유연 반투명 유기태양전지(Ultra-flexible semitransparent organic photovoltaics)’라는 논문으로 유연 전자 소자 분야 학술지 <npj 플렉서블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics, IF=12.019 IF%=3.804)> 6월3일자에 게재됐다. 

아주대 이한비(전자공학과 석사 졸업)·김재현(지능형반도체공학과 석사 재학) 학생과 정소영 영국 임페리얼컬리지 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 아주대 박성준 교수(전자공학과)·김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 공주대 이승훈 교수(신소재공학부)가 공동 교신저자로 함께 했다. 

태양광 발전은 지속가능한 재생 에너지원으로 저렴한 운영 비용과 다양한 활용 가능성으로 주목을 받아왔다. 그러나 기존 실리콘 기반의 무기 태양전지는 무겁고, 어두운 색을 띄는 데다 유연하지 못해 다양한 형태로 활용하기에는 어려움이 많았다. 이에 최근 학계와 산업계는 롤러블·웨어러블 기기나 곡면의 건물과 지붕에 활용할 수 있고, 창문이나 비닐하우스 지붕처럼 빛을 그대로 투과시켜야 하는 곳에도 적용 가능한 차세대 유기 태양전지 개발에 관심을 기울여 왔다. 

그러나 기존 유기 태양전지에서 사용해온 하부 전극 물질인 ITO(인듐 주석 산화물, Indium tin oxide)는 기계적 안정성이 낮아, 유연 소자에 적용하기 어렵다는 한계를 보여 왔다. 

이에 공동 연구팀은 기존에 유기 태양전지에 사용되어 온 두꺼운 두께의 ITO 전극과 불투명 상부 전극을 대체할 수 있는 방안을 찾는 데 주력했다. 연구팀은 연성이 좋은 금속 중 하나인 은(Ag)을 주목, Ag 금속을 초박막 형태로 쌓아 유연성이 뛰어난 투명 하부 전극을 제작했다. 또 절연체-금속-절연체 구조의 박막을 만들어 금속에서 발생하는 난반사를 상쇄하는 AR 코팅(Anti-reflection coating) 기법을 도입, 흡광성능을 극대화하는 데 성공했다. AR 코팅은 빛의 반사를 방지하는 기술의 일종으로 유리판이나 액정 패널의 표면, 광학 렌즈 등 빛의 반사를 막고자 하는 경우에 이용된다. 연구팀은 AR 코팅 기법을 활용해 상쇄 간섭을 통한 반사광의 소멸을 유도, 이를 통해 소자의 전체적 투명도를 높였다.

연구팀은 이렇게 개발한 초유연 반투명 유기 태양전지에 대해 가시광선 영역에서 약 80% 이상의 투과율을 보이며, 200%의 인장을 1000번 이상 가해도 견딜 수 있는 내구성을 가지고 있음을 확인했다.  

새로운 유기 태양전지 전극은 머리카락 두께의 50분의 1 수준인 2마이크론 두께로, 두께가 얇아짐으로써 소자의 강성도가 최소화되어, 기계적인 변형에서도 안정적인 개발이 가능하다. 연구팀이 개발한 초유연 반투명 유기 태양전지의 유연성은 현존 최고 수준이다. 이에 사물인터넷(IoT), 롤러블·웨어러블 기기와 곡면으로 된 건물 및 비닐하우스 등의 외벽에 적용이 가능할 전망이다. 높은 기계적 안정성을 바탕으로, 태양 에너지로 자가 구동할 수 있는 다양한 웨어러블 기기에도 활용할 수 있을 것으로 보인다. 

박성준 교수는 “얇고 유연하며, 기계적 변형에 대해 내구성이 높은 유기 태양전지 소자를 개발함으로써 새로운 연구 분야를 개척해냈다는 점에 이번 연구의 의의가 있다”며 “기존 태양전지의 불투명한 성질로 인해 활용이 어려웠던 건물·차량의 창문과 비닐하우스 외벽 등에도 부착이 가능할 것”이라고 설명했다. 

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구. 한국산업기술평가관리원의 시장주도형k-센서기술개발사업, 미래창조과학부의 대학ICT연구센터육성지원사업, 한국연구재단(과학기술정보통신부)의 2021년 전략형 국제공동연구사업(한국-호주 공동연구)의 지원을 받아 수행됐다. 

(위) 연구팀이 개발한 소자의 200% 양축 인장 변형 반복 실험 실제 모습 (아래) 인장 실험의 1000번 변형 반복 후 소자 성능 실험 결과. 1000번의 인장 실험 후, 소자의 효율을 측정한 결과 기존 대비 73% 정도의 효율이 관찰되었으며 이는 현재까지 개발된 해당 소자 중 가장 뛰어난 성능이다.

* 제일 위 그림 설명 : (a) 초유연 반투명 유기 태양전지의 단면과 빛의 투과 과정에서 발생하는 현상에 대한 모식도 (b) 초유연 반투명 유기 태양전지의 소자 구조 모식도 (c) 연구팀이 개발한 초유연 반투명 유기 태양전지의 실제 사진