유기 태양전지 개발 현황 및 전망

유기 태양전지는 유기반도체라는 물질을 필름에 인쇄하는 공정으로 유기 반도체를 이용하는 유기 전자 소재, 디스플레이 시장과 플렉서블 필름 분야, 필름 인쇄의 R2R 전자 인쇄 분야의 기반이 될 수 있다. 유기 전자 소재의 시장은 해외 주요 기관의 조사에 따르면 2.7조원, 플렉서블 전극 필름 및 패키징 필름 시장이 10조원, 인쇄 공정 분야가 3조원 정도로 예측하고 있다. 유기 태양전지 시장에서의 글로벌 리더는 향후 유기전자 소재 시장과 플렉서블 전극·패키징 필름 시장 더 나아가 인쇄 공정 분야에서의 지속적인 경쟁력을 확보할 수 있는 것이다.

박 근 범 코오롱 Water & Energy SBU 차장

유기 태양전지는 태양광을 받아서 전기로 전환하는 활성 물질과 그 물질의 기능 향상과 물질을 보호 해주는 주변 필름 등으로 구성돼 있어 구성 물질이 기존의 무기물(실리콘 태양전지)에서 고분자로 대체하는 태양전지라 설명 할 수 있다. 이런 기술적인 차이점으로 인해 태양전지의 특성이 저렴하면서 가볍고 휘는 특성을 나타낼 수 있다는 점이다.

기본 구조는 양극과 음극 사이에 빛을 전기로 전환하는 활성층이 있는 샌드위치 구조이며 발전의 원리는 본 그림의 구조에서 볼 수 있듯이 (1)빛을 받아 활성층에서 전자와 정공이 생성, (2)생성된 전하는 임의의 방향으로 확산되고, (3)전자·정공 친하 물질 계면으로 분리, (4)계면에 분리된 전자·전공이 양극과 음극 형성돼 전류의 형태로 변환이 되는 것이다.

유기 태양전지 개발은 1986년 이스트만 코닥의 탕(Tang)이 최초로 1%의 유기 태양전지 개발을 시작으로 1990년 초 미국 캘리포니아 산타바바라 대학의 히거 교수가 벌크헤테로 정션 구조로 3% 효율의 유기 태양전지의 기술 혁신을 이뤄 현재 약 6.×%의 효율로 이뤄지고 있다.

유기 태양전지는 실리콘 태양전지와는 다르게 효율의 향상을 위해 핵심 물질(활성물질)의 지속적인 개발과 안정화 및 저렴하다는 특징 때문에 공정 기술이 중요한 두 부분인데 현재까지 알려진 선두 기업은 미국의 Konarka사와 Plextronics사로 활성층 핵심 구조와 R2R 인쇄 공정 분야, 활성 물질 개발에서의 핵심 역량을 가지고 있는 기업이다. 현재 미국의 Konarka는 5.2%의 셀을 개발했고, 2010년을 출시 목표하고 있다. 일본 Mitsubishi Chemical도 2010년 효율 7%를 목표로 하고 있으며, 미국의 Plextronics는 5.4%의 셀을 개발, BASF와 Bosch가 투자한 JV사인 독일의 Heliatek GmbH는 2010년 상용화 계획을 하고 있어 많은 기업에서 적극적인 R&D를 진행하고 있는 실정이다.

유기 태양전지는 지속적인 효율과 공정 개발이 가능한 분야

앞으로도 지속적인 효율과 공정의 개발이 가능한 태양전지 분야인 것이다.

그럼 이런 유기 태양전지가 우리에게 시사하는 점은 무엇인가? 왜 중요한 전지라고 하는 것인가?

그것은 바로 그 전지특징으로 인한 (1)신시장 창출 가능성과 (2)한국의 기술적인 연관성, (3)향후 파급 시장의 가능성 등에서 의미를 둘 수 있다.

그럼 신시장이란 과연 무엇이며, 시장에서의 수요 창출이 가능한가라는 질문을 할 수 있다.

전지의 구조와 유기물질의 기본 특징으로 가볍고 얇고 휘어지고 또한 생산 공정이 R2R을 이용한 공정 특징으로 저가의 대량 생산이 가능하다는 점에서 기존의 실리콘 태양전지가 접근하지 못했던 비닐하우스, 텐트 등의 시장과 이동형 전원 시장으로 접근이 가능하며 그 시장 가격이 고객이 느끼는 가치에 따라 차이가 있겠지만 1W당 0.X불(휴대폰을 충전하기 위해서는 약 4,000원 정도)로 완성된 제품 가격은 조금 더 비쌀 순 있지만 한밤에 따뜻한 텐트에서의 생활이나 휴대폰의 밧데리가 떨어진 기억을 가진 사람이라면 태양광을 통해 휴대폰을 충전할 수 있다는 가치측면에서 조심스럽게 그 시장 가능성을 이야기 할 수 있는 것이다.

그럼 신시장에 적합한 다른 대안 전지는 없는 것인가라는 질문을 할 수 있을 것이다. 물론 전혀 아니다 라는 것은 아니지만 전지별 근본적인 특성은 존재한다고 볼 수 있다.

실리콘 태양전지와 박막 태양전지는 가격과 효율에 집중을 하고 있고, 대량 발전 시설, 가정용 발전 시설 등을 그 주요 시장으로 접근하고 있으며 염료감응형 태양전지도 플렉서블 한 특성보다는 미적인 화려함 등으로 BIPV용 시장을 주요 시장으로 하고 있다는 점 등에서도 볼 수 있듯이 그 특징에 따른 우선 접근 가능한 시장은 존재하는 것이다. 유기 태양전지의 우선 접근 가능한 시장이 바로 플렉서블 하고 저가격의 태양전지 시장인 것이다.

그럼 우리나라가 세계적인 경쟁력을 가질 수 있는 분야인가라는 생각을 가질 수 있을 것이다.

불행히도 유기 태양전지의 구성으로 볼 때 유기 반도체 분야에서의 경쟁력은 다소 미흡하다고 볼 수 있다. 하지만 태양전지 구조, R2R 공정, 필름 분야에서의 기술 경쟁력은 충분할 것으로 판단되며 기술적인 Record들이 그 주장을 뒷받침 해주고 있다.

광주과학기술원 이광희 교수 그룹의 6.5%의 유기 태양전지 구조, 잉크젝 인쇄 4.5%의 한국화학연구원 인쇄소자 및 소재 기술, 한국기계연구원과 건국대학교의 Pattern Design, Printing Control기술, 정밀도 20㎛ 이하, 세계 최고 수준의 3도 인쇄 기술 등이 그 근거라 할 수 있을 것이다.

그러나 유기 태양전지의 상용화 및 기술적인 Quantum Jump을 위해서는 현재 가지고 있는 관련 기술력뿐만 아니라 정부나 기업, 대학, 연구소등에서 얼마나 많은 Resource를 얼마나 효과적으로 투입하려고 하는 가와도 큰 연관을 가진다.

그럼 왜 집중을 해야 되는 것인가? 어떻게 집중하면 성공 할 수 있을 것인가?

유기 태양전지는 유기반도체라는 물질을 필름에 인쇄하는 공정으로 유기 반도체를 이용하는 유기 전자 소재, 디스플레이 시장과 플렉서블 필름 분야, 필름 인쇄의 R2R 전자 인쇄 분야의 기반이 될 수 있다. 유기 전자 소재의 시장은 해외 주요 기관의 조사에 따르면 2.7조원, 플렉서블 전극 필름 및 패키징 필름 시장이 10조원, 인쇄 공정 분야가 3조원 정도로 예측하고 있다.

유기 태양전지 시장에서의 글로벌 리더는 향후 유기전자 소재 시장과 플렉서블 전극·패키징 필름 시장 더 나아가 인쇄 공정 분야에서의 지속적인 경쟁력을 확보할 수 있는 것이다.

아직까지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율과 검증되지 않은 시장 가능성은 존재하지만 유기 태양전지만의 시장이 아니라 다른 파급 시장 기회까지도 본다면 도전해 볼만한 분야가 아닐 수 없다.

이미 선진국의 경쟁자는 앞서 나아가고 있는 상황에서 개별 기술들의 도전적인 Record 달성도 중요하지만 시스템 측면에서의 개별 기술 간의 융합과 상생 발전으로 시장에서 Leading Position을 만드는 것이 더욱 중요한 부분이라 할 수 있다.

관련 기업, 대학, 연구소 등이 함께 동일 목표를 세우고 이를 달성하기 위한 토의와 연구를 통해 성공을 해야만 세계 최고의 위치에 설수 있다는 정부의 생각과 그 생각을 뒷받침해 주는 정책, 지원이 그렇기 때문에 더욱 필요한 것이다.

표 1. 유기 태양전지 소자제작 관련 국내 기술개발 현황

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