풀러렌을 대신하는 전도성 고분자 도입을 통한 유기태양전지의 효율 및 기계적 안정성 향상 개략도 (미래부 제공)© News1

국내 연구진이 차세대 플렉서블·웨어러블 전자기기의 에너지원으로 각광받고 있는 유기태양전지의 신축성과 내구성을 대폭 높여 상용화를 앞당겼다.

글로벌프런티어 멀티스케일에너지시스템연구단의 김범준 교수팀과 김택수 연구팀은 기존 유기태양전지에 사용되는 '풀러렌'을 고분자로 대체해 기존보다 신축성은 60배 이상, 내구성은 470배 이상 향상시켰다고 12일 밝혔다. 풀러렌(fullerene)은 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이뤄진 축구공 모양의 저분자를 말한다. 이를 연구팀이 분자량이 매우 큰 화합물로 대체시킨 것이다.

차세대 플렉서블·웨어러블 전자기기의 구동 에너지원은 반드시 유연하며 휴대가 가능해야 하는데, 유기태양전지는 가볍고 유연한 유기물 박막을 기반으로 하고 우수한 빛 흡수력과 낮은 공정단가 등을 갖춰 주목받고 있다. 그러나 기존 유기태양전지의 경우 안에 포함된 풀러렌이 잘 깨지는 성질을 가지고 있어 내구성이 부족, 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이에 따라 연구팀은 'N형 전도성 고분자'라는 물질을 사용해 기존 풀러렌 기반 유기태양전지보다 훨씬 뛰어난 내구성을 가지면서도 동시에 높은 효율로 전력을 생산할 수 있다는 것을 최초로 규명했다. 이 과정에서 김범준 교수팀은 새로운 고효율 고분자 태양전지 시스템 개발을, 김택수 교수팀은 개발된 고분자 태양전지의 기계적 특성 분석을 담당했다. 앞으로도 연구진은 최종 플렉서블 태양전지 상용화에 성공할 때까지 협업할 계획이다.

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

이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구단, 중견연구자 지원사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원으로 진행됐다. 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 9일자에 게재됐다.