고성능 태양전지·LED 만드는 바이오 섬유 전자소자

재료연·부산대·공주대, 바이오 나노구조체 개발
‘M13 박테리오파지’ 넣어 성능 극대화
“전자소자 기업에 경제적 효과 기대”

송명관 한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 책임연구원 연구팀이 개발한 'M13 박테리오파지' 포함 하이브리드 바이오 나노구조체(오른쪽)./한국재료연구원

국내 연구진이 극한 환경에서도 성능과 안정성을 유지하는 바이오 섬유 전자소자를 개발했다. 이 소자는 온도와 공기, 수분에 높은 안정성을 보여 태양전지 개발에도 도움을 줄 것으로 보인다.

송명관 한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 책임연구원 연구팀은 하이브리드 바이오 나노구조체를 개발하고, 섬유형 태양전지와 섬유형 유기발광다이오드(OLED)를 제작했다고 10일 밝혔다. 이번 연구에는 오진우 부산대 나노에너지공학과 교수, 최진우 공주대 데이터정보물리학과 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

기존 금속 나노입자는 주로 ‘스핀 코팅’ 방법을 통해 박막으로 만들어진다. 스핀 코팅은 평평한 기판 위에 유체를 놓고 매우 빠른 속도로 회전시켜 얇게 코팅하는 방법이다. 이 방법은 빠르고 간단하게 박막을 만들 수 있지만, 금속 나노입자를 균일하게 배치하지 못해 성능 저하 현상이 나타난다.

연구팀은 금속 나노입자를 균일하게 배치하는 바이오 물질 ‘M13 박테리오파지’를 합성했다. 이 바이오 물질은 금속 양이온과 결합하는 활성기를 가져 모든 금속 양이온을 일정하게 배열한다. 연구팀은 M13 박테리오파지의 특성을 이용한 ‘하이브리드 바이오 나노구조체’를 만들었다.

송명관 한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 책임연구원 연구팀이 개발한 하이브리드 바이오 나노구조체 개념도./한국재료연구원

연구팀은 하이브리드 바이오 나노구조체를 태양전지와 OLED로 만들어 기술을 응용했다. 연구팀이 제작한 섬유형 태양전지의 광전효율은 40%, 섬유형 OLED의 발광효율은 48% 올랐다. 또 섭씨 영하 80도와 상온 150도 같은 극단적인 온도에서 높은 성능과 안정성을 보였다. 하이브리드 바이오 나노구조체는 수분에서도 안정성을 유지하기 때문에 세탁도 가능하다고 연구팀은 설명했다.

하이브리드 바이오 나노구조체는 표면 플라즈모닉 효과도 가지고 있다. 표면 플라즈모닉 효과는 나노입자와 빛의 상호작용을 의미한다. 연구팀은 표면 플라즈모닉 효과를 극대화해 다양한 전자소자에 활용할 수 있다고 강조했다. 또 하이브리드 바이오 나노구조체의 국산화와 대량화를 앞당기면 전자소자 기업에서 파격적인 경제적 효과를 기대할 수 있다고 설명했다.

송명관 책임연구원은 “하이브리드 바이오 나노구조체를 활용하면 전자소자 분야에서 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있다”며 “향후 에너지 생산·저장 소재, 센서 소재 등 다양한 분야에 적용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학정보통신부와 한국연구재단, 한국재료연구원의 지원을 받았다. 연구결과는 재료 분야 국제학술지 ‘스몰 스트럭처즈(Small Structures)’에 지난 달 7일 게재됐다.

참고 자료

Small Structures, DOI: https://doi.org/10.1002/sstr.202400007

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -