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  • 기사등록 2021-02-14 12:00:03
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[기계신문] 휴대용 디바이스의 기술 흐름은 스마트폰을 넘어 다양한 스마트 디바이스로 확장되고 있다. 사물인터넷(IoT)으로 표현되는 이 기술은 다양한 폼 팩터(form factor)를 갖는 디바이스 기술의 수요를 불러일으키고 있다.


최근 등장한 폴더블 스마트폰과 롤러블 디스플레이가 대표적인 예다. 이처럼 정보 디바이스 기술이 다양한 폼 팩터를 가짐에 따라 이에 대응되는 에너지 기술 수요 또한 증대되고 있다.


페로브스카이트 태양전지는 ‘유무기 혼합 페로브스카이트 소재’를 광 흡수체로 사용하는 태양전지로서, 최근 광전변환효율이 25.2%에 도달하였다. 이는 상용화된 실리콘 태양전지의 수준에 해당한다. 또한, 페로브스카이트 태양전지는 유연화가 가능하다.


유연 태양전지의 하부 투명전극으로 사용되어온 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO)은 소재 자체의 취성(깨짐성)으로 인하여 디바이스의 유연성을 제한하였다. 이를 대체하기 위한 대안으로 투명전극 연구가 이루어져 왔으나, 유연성을 충족하면서 고효율 페로브스카이트 태양전지에 호환되는 대안 투명전극을 찾는 것이 숙제였다.


그런데 최근 부산대학교 화학교육과 전일 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 차세대태양전지연구센터 이필립 박사 연구팀이 한일공동연구를 통해 탄소나노튜브-폴리이미드로 구성된 투명전도성 필름을 개발하고, 이를 적용한 접을 수 있는 태양전지를 제시했다.



▲ 탄소나노튜브-폴리이미드 투명 전도성 복합체 제작 및 표면 거칠기 특성



페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율이 높고 유연화할 수 있어 휴대용 전력원으로 주목받고 있다. 하지만 접거나 구부릴 수 있는 휴대용 디바이스의 전원으로 활용하려면 하부 투명전극의 유연성을 높여야 했다.


한편, 탄소나노튜브는 육각형의 탄소원자 격자로 구성된 그래핀이 수 나노미터의 원통 형태로 말려있는 나노재료로, 우수한 물리적 특성으로 활용성이 높다. 탄소나노튜브는 유연성과 투명성을 동시에 지닌 좋은 전극 후보 물질이지만, 내부의 빈 공간들과 거친 표면 때문에 하부 전극으로 활용하는 데 어려움이 있었다.


이에 연구팀은 그물 형태의 탄소나노튜브의 빈틈과 거친 표면을 폴리이미드로 보완한 투명전도체를 개발했다. 폴리이미드가 빈틈을 매우고 거친 표면을 매끄럽게 유도해 유연하고 투명한 탄소나노튜브의 장점을 살리되 단점은 보완했다. 이때 폴리이미드는 이미드 고리를 가지는 고분자 재료로 화학적 안정성, 유연성, 내열성, 내화학성을 지니며, 전자 디바이스에 널리 활용된다.


실제 이를 적용해 제작한 접을 수 있는 폴더블 페로브스카이트 태양전지는 기존에 보고된 탄소나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 광전변환효율(15.2%)를 나타냈다. 접음 조건(0.5 mm 굽힘 반경)에서 10,000회 반복 사이클 후에도 성능이 처음과 동일하게 유지되는 높은 유연성을 보였다.



▲ 이번 연구의 복합체 필름을 기반으로 구현된 페로브스카이트 태양전지는 접음 조건에서 10,000회의 반복 사이클 이후에도 처음과 동일한 성능을 보임으로써 폴더블 에너지원으로써의 잠재성을 보였다. 디바이스의 높은 유연성은 전도성 복합체의 기계적 유연성에서 기인한다.



한편, 전기전도도 향상을 위해 첨가한 몰리브데넘삼산화물(MoO3)은 산소가 차단된 고온 조건에서 그 효과가 극대화된다. 탄소나노튜브를 감싸는 이 전도체 필름의 구조와 열 안정성 덕분에 추가적인 작업 없이 전극의 전기전도도 향상 효과가 극대화되었다.


부산대 전일 교수는 “탄소나노튜브를 유연 태양전지 등 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 고 유연성 전자소자의 전극으로 효과적으로 활용할 수 있는 토대가 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.


이번 연구에서는 탄소나노튜브-폴리이미드 복합체 필름의 개발을 통해 탄소나노튜브 위에 박막 디바이스에 구현하면서 따랐던 재현성 문제를 완화하고, 이를 기반으로 높은 유연성을 갖는 폴더블 태양전지를 구현하였다.


접거나(foldable) 말 수 있는(rollable) 다양한 폼 팩터를 갖는 휴대용 스마트 디바이스의 에너지원으로 적용됨으로써 사물인터넷(IoT) 기술의 발전을 한 단계 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.


한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터사업, 기후변화대응기술개발사업 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 2월 8일자 게재되었다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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