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유기 고분자 태양전지 소자, 광전변환효율이 기술개발의 관건

작성자 : 이용우 2017-10-12 | 조회 : 959

특허청, 전도성고분자로 가능성을 확인해본다

정부의 에너지 정책이 탈석탄, 신재생에너지(태양전지) 등의 ‘에너지 전환’ 정책으로 바뀌고 있다. 그런데 유기 고분자 태양전지¹⁾에 소자로 사용되는 전도성고분자²⁾ 특허출원이 최근 ’14년 이후로는 감소추세에 있다. 이는 ’14년 이후 국제유가(붙임 1 참조) 하락으로 인해 유기 고분자 태양전지 소자분야의 연구개발투자가 상대적으로 감소한 것으로 판단된다. 친환경·탈화석 연료시대에서 살아남기 위해서는 유기 고분자 태양전지 소자의 신기술 개발로 특허출원의 강화 필요성이 제기되고 있다.

1) 유기 태양전지는 염료형과 고분자 태양전지로 구분되고 염료형의 경우, 유연성과 환경친화성을 갖고 있으나, 7.4%(한국전자통신연구원, 2008)의 낮은 효율을 갖는 반면, 최근 셀레늄이 도입된 그래핀(아시아경제, 2016)의 도입을 통해 전기화학적 안정성을 보이고 있다

2) 전도성고분자는 일반적으로 전도율 10-7Scm-1(반도체 이상의 값) 이상의 값을 표시하는 고분자. 대부분 전자공여체 또는 전자공여체를 고분자에 도포함으로써 높은 전도율을 얻는다(화학용어사전). 예를 들어, 디티에노티오펜, 파이렌, 폴리아닐린, 카바졸, 싸이오펜, 플러렌 등이 있다.

특허청(청장 성윤모)에 따르면, 최근 10년간(2007년~2016년) 유기 고분자 태양전지용 전도성고분자 특허출원은 397건으로, ’07년 이후 ’12년까지 지속적으로 증가되어 왔다. 하지만 ’14년에 53건, ’15년에는 43건이고, ’16년에는 9건에 불과한 것으로 나타나 최근 관련 특허출원이 급속하게 감소하고 있음을 알 수 있다.(붙임 2 참조)

이 중 최근 5년간 외국인의 특허출원건수는 52건으로 전체출원 건수대비 24%인 반면, 내국인의 특허출원건수는 161건으로 과거 5년(2007년~2011년)대비 11% 증가해 국외출원인보다 국내출원인에 의해 기술개발이 활발히 진행되었으나, 감소 또한 빠르게 진행되고 있다.

특히 최근 5년간 국내 대학/연구소의 특허출원건수는 개인/기업의 특허출원건수대비 약 1.8배로, 대학/연구소가 기술개발을 주도하고 있는 것으로 나타났다. 한편, 최근 5년간의 다출원인 현황을 살펴보면, 엘지화학(25건), 부산대(10건), 한국과학기술연구원(10건), 한국화학연구원(10건), 건국대(7건), 연세대(7건), 포항공대(6건), 한국과학기술원(5건) 순으로 조사됐다.(붙임 3, 4 참조)

전도성고분자가 포함된 유기 고분자 태양전지는 경제성과 범용성, 특히 저가 및 유연성을 갖고 있어 웨어러블 컴퓨터 등의 휴대용 전자기기에 널리 적용이 가능하다.

사물인터넷(IOT, Internet of Things) 시대에 센서 및 디지털 장비를 구현하기 위한 에너지 소스는 필수적이며 휴대용 전자기기에 적용이 간편한 유기 고분자 태양전지 소자기술은 필연적일 수밖에 없다.

최근 국내 울산과학기술원(UNIST) 및 부산대 연구팀은 1.72V의 높은 개방전압과 11.4% 효율을 갖는 적층형 유기 고분자 태양전지³⁾를 개발하여 유기 고분자 태양전지의 낮은 광전변환효율⁴⁾을 극복하고 사물인터넷 시대를 성큼 앞당기는 계기를 마련하고 있다.

특허청 고태욱 고분자섬유심사과장은 “유기 고분자 태양전지의 문제점으로 지적되는 낮은 광전변환효율을 극복하기 위해서는 기업과 대학 및 연구소가 협업을 통하여 관련 기술개발에 박차를 가할 필요가 있다”고 밝혔다.

3) 서울경제(2017.07.25.)

4) 빛에너지를 전기에너지로의 변환율

[붙임 1] 연도별 국제유가변동대비 내·외국인 특허출원 현황