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재료연구소가 저가의 유기 태양전지를 생산할 수 있는 원천기술 개발에 성공했다.
이번 연구성과는 소자기능박막연구실 송명관, 김동호 박사팀과 전북대학교 강재욱 교수팀(유연인쇄전자공학과), LG Display의 박종현 박사팀이 공동으로 높은 효율과 뛰어난 유연성을 가진 은 나노 와이어 기반의 유기 태양전지를 개발했다.
연구 결과는 재료분야 저명 학술지인 ‘Advanced Functional Materials(어드밴스드 펑셔널 머터리얼스)’ 최신호(9월 9일자)에 표지논문(Back cover)으로 게재됐다.
현재까지 은 나노와이어 전극을 이용한 유기 태양전지는 광변환 효율이 3%에 그쳐 실험적으로 고효율 소자제작이 이뤄진 사례가 없어 이번 연구 결과가 더욱 주목받고 있다.
이번에 개발된 기술을 유리와 플라스틱 기판에 적용했을 때 각각 6%, 5.1%로 광변환 효율이 배로 향상됐다. 또한 유연성을 가늠하기 위해 플라스틱 기판을 1.5mm 간격으로 1,000회 굽혔을 때도 효율 변화가 거의 없을 정도로 유연성도 뛰어났다.
이 기술은 현재 투명전극의 핵심 재료인 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 가격의 1/3 수준의 저렴한 유기 태양전지를 제조할 수 있으며, 스마트폰 등에 탑재되는 터치 패널에도 적용될 수 있는 원천기술로 평가되고 있다.
유기 태양전지를 저가로 생산하기 위해서는 인듐 주석 산화물(ITO)을 대체할 수 있는 재료를 찾아야 한다.
ITO는 일반적으로 유리위에 코팅해 사용하는데 유연하거나 가볍지 않고 저가로 생산하기가 어렵다. 또 플라스틱 기판위에 코팅된 경우에는 전도성이 충분하지 않으며 유연성 또한 제한적이다.
이러한 단점을 극복하기 위해 연구진은 은 나노와이어를 활용했다.
ITO가 진공상태에서 코팅되는 공정인 반면 은 나노와이어는 페인트칠을 하듯이 분산용액을 이용해 쉽게 코팅할 수 있으며, 전기·광학적 특성이 매우 뛰어나다.
하지만 은 나노와이어로 구성된 전극은 거친 표면과 빈 공간으로 인해 효율이 높지 않아 실용화 가능성이 낮은 기술적 한계가 있었다.
김 박사팀은 은 나노와이어 전극과 광 흡수층 사이에 고분자 전도성 물질을 코팅해 빈 공간을 채우고 표면을 다듬어 이 문제를 극복했다.
송명관 박사는 “태양전지 및 차세대 디스플레이의 투명전극 재료의 핵심인 ITO를 대체하기 위해서는 새로운 소재발굴이나 소자 집적화 기술 개발이 필요하다”며 “공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은 나노와이어를 이용한 이번 연구결과는 유기 태양전지 뿐만 아니라 플렉시블 유기 트랜지스터나 유기 디스플레이, 유기 발광다이오드 등 다양한 전자기기의 성능 향상에도 기여할 것으로 전망된다”고 밝혔다.
연구진은 다양한 금속 나노와이어 및 새로운 소재개발을 통해 공정과 단가, 유연성의 세 마리 토끼를 잡을 수 있는 태양전지와 10% 이상의 세계최고 효율을 달성하기 위한 연구를 지속적으로 펼쳐나갈 계획이다.
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