한국연구재단, 늘어나도 작동하는 고효율 신축태양전지 구현

KAIST 등, 신축성·전기적 성질 우수 고분자 개발
웨어러블 전자 소자 상시 전력 공급 등 활용 기대

국내 연구진이 여러 방향으로 자유롭게 늘어나는 '고효율 스트레쳐블 유기 태양전지'를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 향후 다양한 웨어러블 전자기기 이용과 고분자 태양전지의 실질적인 적용 등 다양한 활용이 가능할 것으로 기대된다.

13일 한국연구재단에 따르면 김범준 한국과학기술원(KAIST) 교수와 김윤희 경상국립대 교수 공동 연구팀은 신축성과 전기적 성질이 우수한 고분자를 개발해 '고효율 스트레쳐블 유기 태양전지'를 제작했다.

웨어러블 전자소자의 전원공급장치는 휴대용 태양전지 사용이 필수적이다. 이때 사용되는 태양전지는 높은 광전변환 효율과 다양한 신체 움직임에 따른 잡아당김과 늘어남과 같은 인장에도 성능을 유지할 수 있는 내구성이 요구된다.

하지만 유기 태양전지를 구성하는 기존의 광활성 고분자물질은 높은 광전효율을 위해 다중 접합 고리 형태의 주쇄(고분자의 골격을 이루는 줄기 분자쇄)를 채용했다.

그 결과, 딱딱하고 경직된 분자 구조가 유기 태양전지 광활성층의 신축성을 낮춰 인장에 대한 기계적 내구성이 크게 저하됐다.

연구팀은 고분자 물질 내에서 기계적 스프링 역할을 하는 '유연 링커'를 도입했다. 이어 스프링처럼 높은 기계적 특성을 가지는 신규 고분자 전자 받개 물질 'PYFS-RRg'을 개발하는 데 성공했다.

또 'PYFS-RRg'를 통해 최고 수준의 광전변환효율과 잡아당겨도 높은 신축성을 띄는 고분자 유기태양전지를 구현했다. 차세대 웨어러블 전자 기기에 필수적인 전력 공급원인 고성능 스트레쳐블 태양전지를 처음으로 개발한 것이다.

이번 연구는 기존에 구현하기 어려웠던 높은 기계적·전기적 특성을 동시에 가지는 고분자 구조개발에 대한 새로운 개념을 제시했다. 향후 다양한 웨어러블 전자 기기에 대한 전력 공급원으로써 고분자 태양전지의 실질적인 적용이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구의 결과는 지난 9월 16일 국제학술지 '에너지 환경 과학'에 게재됐다.

김범준 교수는 "차세대 웨어러블 전자 기기에 필수적인 전력 공급원인 고성능 소재고유형 신축태양전지를 개발했다는 것에 큰 의의가 있다"고 말했다.