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카이스트 김범준 교수팀, ‘스트레처블 유기태양전지’ 가능성 높여… 17% 신축성 달성
단단하고 경직된 분자 구조 한계점 개선

[인더스트리뉴스 최용구 기자] KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 전기적 특성과 신축성을 확보한 태양전지를 구현했다고 26일 밝혔다.

김 교수 연구팀은 ‘스트레처블 유기태양전지(organic solar cells)’에 있어 세계 최고 성능에 다가선 것으로 알려졌다.

인위적으로 늘려도 작동할 수 있는 스트레쳐블 태양전지는 웨어러블 전자소자의 시장 규모가 커지며 주목받고 있다.

신규 개발된 전도성 고분자의 화학 구조 [자료=KAIST]

연구팀은 전기적 성질을 가지는 전도성 고분자에 고무처럼 늘어나는 고신축성 고분자를 화학 결합했다.

개발된 고분자는 기존 강성 고분자 보다 높은 세계 최고 수준의 광전변환효율(19%)을 보였으며 10배 이상의 신축성(17%)을 나타냈다. 

연구진은 개발된 소재를 사용해 세계 최고 수준의 광전변환효율 (14.3%) 및 소자 신축성 (40% 인장가능)을 가지는 스트레처블 유기 태양전지를 만들었다. 

KAIST는 “40% 이상을 잡아당겨도 작동하는 세계 최고성능의 스트레처블 태양전지를 구현했다”며, “이를 통해 사람이 착용가능한 태양전지의 응용 가능성도 증명했다”고 전했다.

유기태양전지는 기존 무기 재료 기반 태양전지에 비해 가볍고 유연한 것이 장점으로 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 전자소자에 적용이 가능하다.

스트레처블 유기태양전지 구현 과정에선 빛을 전기로 전환하는 광활성층의 높은 전기적 성능 및 신축성 확보가 필수다.

연구에 참여한 김범준 교수 연구팀 [사진=KAIST]

다만 두 요소는 서로 상충관계를 가지고 있어 그만큼 스트레쳐블 태양전지의 구현은 어려웠다. 

기존의 고효율 전도성 고분자 소재는 빠른 전하 수송을 위해 단단하고 경직된 분자 구조를 가지게끔 설계됐다.

이는 기계적 신축성을 크게 낮춰 웨어러블 기기 적용에 걸림돌로 작용했다는 설명이다. 

연구팀은 이번 결과를 통해 웨어러블 전자기기에 대한 유기 태양전지의 실질적인 상용화 가능성을 제시할 수 있을 것으로 보고 있다. 

KAIST 김범준 교수는 “자유형상 및 신축성을 요하는 다양한 전자소자에 응용이 가능한 원천 기술을 개발했다는 것에 큰 의의가 있다고 말했다.

본 연구 결과는 국제 학술지 줄(Joule)에 지난 12월 1일자로 출판됐다.(논문명: Rigid and Soft Block-Copolymerized Conjugated Polymers Enable High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells). 

연구에는 김범준 교수 외에 KAIST 기계공학과 김택수 교수, 생명화학공학과 리섕 교수팀 등이 공동 참여했다.

[최용구 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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