고효율·고신축성 태양전지 개발...차세대 웨어러블 기기 활용성 제시

신규 개발된 유연 링커가 도입된 고분자 전자 받개 및 해당 소재가 사용된 완전 신축형 유기 태양전지. 사진=김범준 교수

국내 연구진이 신축성 및 전기적 성질이 모두 우수한 고분자를 개발하고 이를 이용해 다양한 웨어러블 전자기기에 활용 가능한 고효율 스트레처블 유기 태양전지 구현에 성공했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 김범준 교수(한국과학기술원)와 김윤희 교수(경상국립대) 공동 연구팀이 고성능 신규 고분자 전자 받개 소재를 개발하고 이를 이용해 여러 방향으로 자유롭게 늘어나는 고효율 스트레처블 유기 태양전지를 제작했다고 13일 밝혔다.

웨어러블 전자 소자 전원공급장치는 높은 광전변환 효율과 함께 다양한 신체 움직임으로 야기되는 잡아당김과 늘어남 같은 인장에도 성능을 유지할 수 있는 휴대용 태양전지 사용이 필수적이다. 그러나 태양전지를 구성하는 기존 광활성 고분자 물질은 딱딱하고 경직된 분자 구조로 인해 신축성을 낮춰 인장에 대한 기계적 내구성이 크게 떨어진다.

연구팀은 고분자 물질 내에서 기계적 스프링 역할을 하는 유연 링커를 도입해 스프링처럼 높은 기계적 특성을 갖는 신규 고분자 전자 받개 물질 'PYFS-RRg'을 개발했다. 이를 통해 최고 수준 광전변환 효율 및 높은 신축성의 고분자 유기 태양전지 개발에 성공했다. 또 실제로 늘어나도 작동하는 고성능·고신축성 고분자 태양전지를 구현, 웨어러블하게 구동하고 인체 유해도가 낮은 용매 사용을 통해 웨어러블 소자 사용에 적합함을 확인했다.

김범준 교수는 “이번 연구는 차세대 웨어러블 전자기기 필수 전력 공급원인 고성능 소재 고유형 신축 태양전지를 개발했다는 것에 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

김윤희 교수는 “기존에 구현하기 어려웠던 높은 기계적·전기적 특성을 동시에 가지는 고분자 구조개발에 대한 새로운 개념을 제시했다”고 말했다.

한편 과학기술정보통신부와 한국연구재단 추진 중견연구 및 기초 연구실사업 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 에너지 환경 과학(Energy&Environmental Science)에 지난 9월 16일 게재됐다.

이인희기자 leeih@etnews.com