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차세대 플렉서블 전자기기용 유기태양전지 개발
2015-12-01


차세대 플렉서블 전자기기용 유기태양전지 개발
뛰어난 유연성과 내구성… 상용화 가능성 높여

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 대체하여 기존보다 신축성은 60배 이상, 내구성은 470배 이상 향상시킨 것이다.  미래부에 따르면, 미래창조과학부 글로벌프론티어 멀티스케일 에너지 시스템연구단과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원으로 한국과학기술원 김범준 교수와 김택수 교수가 풀러렌 대신 ‘N형전도성 고분자’라는 물질을 사용하여 기존 풀러렌 기반 유기태양전지보다 훨씬 뛰어난 내구성을 가지면서도 효율이 높은 전력을 생산할 수 있음을 최초로 규명했다고 밝혔다.


유기태양전지에 사용되는
‘풀러렌’ 대신 ‘고분자’ 사용
차세대 플렉서블·웨어러블 전자기기의 구동 에너지원은 반드시 유연하며 휴대가 가능해야 하는데, 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 높은 효율대신 그 안에 포함된 풀러렌의 잘 깨지는 성질때문에 플렉서블 소자로 사용하기에는 내구성이 부족하여 상용화에 어려움을 겪고 있었다.  이에 반해 유기태양전지에 풀러렌 대신 고분자를 사용하면, 고분자의 유연함과 고분자 사슬 사이의 얽힘 효과에 의해 높은 효율을 유지하면서 내구성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 예상되어 왔다.

연신율 60배·내구성 470배 이상 향상
‘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.  이 과정에서 김범준 교수팀과 김택수 교수팀은 각각 새로운 고효율·고분자 태양전지 시스템 개발과 개발된 고분자 태양전지의 기계적 특성 분석을 담당하여 협동 연구를 수행했다.  김범준 교수는 “이번 연구를 통해 고분자 태양전지가 높은 효율뿐만 아니라, 소자의 기계적 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인했으며, 이를 필요로 하는 다양한 부착형·휴대용소자 구현을 앞당겨 산업계에 큰 파급효과를 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다. 김 교수는 “풀러렌 기반의 유기태양전지 효율은 이미 상용화 수준인 10%까지 도달했으나 유기태양전지를 필요로 하는 플렉서블 전자소자에 응용하기에는 내구성이 너무 약해서 상대적으로 효율은 낮지만, 내구성과 유연성이 뛰어날 것으로 예상됐다”고 연구배경을 밝히고,  “상용화를 위해서는 현재 태양전지를 대면적화한 모듈제작이 필수적이며, 플렉서블 소자내에서의 내구성 실험이 필요하다”고 설명했다.

상용화가능성 앞당겨
유기태양전지는 플렉서블 디스플레이, 스마트 안경, 전자 섬유 등 현재 각광받고 있는 차세대 플렉서블 전자소자의 에너지원으로 사용할 수 있다.  이번 연고분자와 고분자 광 활성층을 통해 동시에 향상시킬수 있음을 확인하고, 이를 통해 유기태양전지의 상용화 가능성을 열게 됐다.  또한, 고분자와 고분자 유기태양전지에 대한 더 많은 연구가 이루어진다면 유기 디스플레이, 스마트 안경 등 다양한 플렉서블 전자소자 구현의 단축을 기대할 수 있게 됐다.  한편, 이 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 9일자 온라인판에 논문명 ‘Flexible, Highly Efficient All-Polymer Solar Cells’으로 게재됐다.


    김범준박사   김택수 박사

<용어설명>
1.유기태양전지 무기물이 아닌 유기(탄소화합물) 재료를 주원료로 사용하는 태양전지
2.풀러렌(fullerene) 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이루어진 축구공 모양의 저분자
3.고분자 플라스틱, 고무 등 분자량이 매우 큰 화합물
4.연신율 물질이 잘 늘어나는 정도
5.인성 물질이 파괴에 저항하는 정도(잘 깨지지 않는 성질)

<그림 1>풀러렌을 대신하는 전도성 고분자 도입을 통한 유기태양전지의 효율 및 기계적 안정성 향상 개략도
전자주개 고분자PBDTTTPD와 P(NDI2HDT)를 혼합하여 고분자/고분자 유기태양전지를 제작했으며 이를 PBDTTTPD/PCBM 유기태양전지와 비교했다. 두 유기태양전지가 효율 측면에서 차이를 보인 이유는
일차적으로 P(NDI2HD-T)의 최저준위 비점유 분자궤도 에너지 레벨이 PCBM보다 더 높게 위치하여 소자의 개방전압 값을 높여주었기 때문이다.
<그림 2> 연구에서 사용된 광 활성층 물질들이 가지고 있는 구조, 에너지 레벨, 광 흡수 특성에 대한 모식도
(a). 광 활성층 물질들의 줄임명, 화학구조, 에너지 레벨에 대한 정보. (b). 광 활성층 물질들의 광 흡수 특성 곡선

<표 1> 고분자/풀러렌 유기태양전지와 고분자/고분자 유기태양전지의 광전환 효율

<그림 3> 인장 실험을 통한 고분자/풀러렌 박막과 고분자/고분자 박막의 기계적 특성 차이 결과

(a). 고분자/풀러렌 박막과 고분자/고분자 박막에 대한 응력-변형 곡선
(b). 고분자/풀러렌 박막과 고분자/고분자 박막에 대한 인성 계산
(c). 박막을 인장하기 전과 인장하였을 때의 광학 현미경 사진. 왼쪽 두 사진이 고분자/풀러렌 박막에 해당하며 박막이 갈라졌을 때 사진을 보면 확실히 취성 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.  반대로 고분자/고분자 박막이 갈라질 때의 사진을 보면 연성 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.  실제 플렉서블 소자가 받을 수 있는 기계적 변형 조건에서 두 시스템이 얼마나 견딜 수 있는지를 평가하여 플렉서블 소자로의 응용 가능성을 추정해 보았다.  PBDTTTPD/PCBM 박막과 PBDTTTPD/P(NDI2HD-T) 박막을 각각 기판위에 형성하여 굽힘 정도나 횟수를 달리했을 때, 박막의 전기적 특성 변화를 측정함으로써 기계적 변형에 의한 광 활성층의 손상을 살펴보았다.
 


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