신문 윤전기처럼 디스플레이·필름 대량 생산 가능
[에너지단열경제]김태엽 기자= 차세대 전지로 불리는 유기 태양전지(organic solar cell)를 상온에서 대량으로 만드는 기술이 개발됐다.
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▲ 한국화학연구원 신원석(사진 가운데)·송창은(왼쪽) 박사 연구팀이 상온에서도 높은 광전변환 효율을 내는 유기 태양전지 대면적 모듈을 들고 기념촬영을 하고 있다. /한국화학연구원 제공 |
과학기술정보통신부 산하 한국화학연구원은 신원석·송창은 박사 연구팀이 실험실 밖 환경에서 10％ 수준에 근접한 광전변환 효율을 내는 유기 태양전지 공정 개발에 성공했다고 21일 밝혔다.
유기 태양전지는 실리콘 같은 현재의 무기 태양전지를 대체할 기술로 꼽힌다. 재료 자체의 비용이 저렴해서 전지 가격을 낮출 수 있기 때문이다.
다만 아직은 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 광전변환 효율이 발목을 잡고 있다. 섭씨 110도 안팎의 실험실 환경에서는 단위 소자 기준 9％의 준수한 효율을 기록하지만, 25도 정도 상온에서는 4％대로 반 토막 나는 게 현실이다.
이는 유기 태양전지 광활성 층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 물질)에 들어가는 고결정성 고분자 탓이다. 고결정성 고분자는 전하 이동도를 높이지만, 상온 공정에서는 효율 저하 문제를 일으킨다.
신원석·송창은 연구팀은 25도에서도 9.66％의 광전변환 효율을 내는 유기 태양전지를 구현했다. 자체 개발한 고결정성 고분자 신소재 덕분이다. 기존 고결정성 고분자(PNTz4T)에 ‘MTC’ 라는 기능기를 도입해 새로운 고결정성 고분자(PNTz4T-5MTC)를 제조했다.
특이점은 하나 더 있다. 바 코팅(Bar coating) 공정을 통해 대면적 모듈(10×10㎝)로 제작한 유기 태양전지 광전변환 효율도 최고 6.61％를 기록했다는 점이다.
바 코팅은 고분자 용액을 빠르고 균일하게 인쇄해 태양전지나 디스플레이 등을 제조하는 방식이다. 윤전기로 신문을 찍는 것 같은 롤 투 롤(Roll-to-roll) 인쇄 공정에 적용해 대량 생산할 수 있는 가능성을 열었다는게 연구팀의 설명이다.
신원석 박사는 “롤 투 롤 공정에 적합한 유기 태양전지 광활성 소재 상용화에 한 걸음 더 다가선 것”이라며 “인체에 유해한 할로겐 용매도 필요 없어서 친환경적이다”고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업과 한국화학연구원 주요사업 등 지원을 받아 수행했으며, 성과를 담은 논문은 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’(Advanced Energy Materials) 온라인판에 실렸다.
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