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KIST·전북대 공동연구진, 정전기로 작동하는 터치 패드용 센서 개발

- 주름 구조를 갖는 이차원 나노 물질 개발, 마찰전기 발생효율 40% 증가- 유연성 필요한 무전원 웨어러블·생체 삽입형 전자기기 활용 기대언제 어디서나 신호와 정보를 주고받을 수 있는 초미세·저전력 센서와 소자는 사람, 사물, 공간이 모두 연결되는 사물인터넷(IoT) 시대의 필수요소다. 문제는 이들 수많은 전자기기에 어떻게 지속적으로 전기를 공급하는가이다. 일반적인 배터리 충전과 교체 방식으로는 소형화·경량화가 어렵기 때문이다.이에 따라 근본적인 해결책이 될 것으로 기대를 모으고 있는 것이 마찰전기 발생 장치이다. 즉, 생활 속 빈번한 정전기처럼 서로 다른 물질들의 접촉으로부터 마찰전기를 유도해 반영구적으로 에너지를 생산하는 것이다.한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 기능성복합소재연구센터 이승기 박사 연구팀이 전북대 신소재공학부 정창규 교수와의 공동연구를 통해 종잇장과 같이 평면 형태를 갖는 이황화 몰리브덴에 주름 구조를 형성해 마찰전기 발생효율을 기존 대비 40% 이상 증가시키는 터치센서를 개발했다고 밝혔다.광원 열처리 기반으로 합성된 주름진 이황화 몰리브덴 이미지일반적인 마찰전기 발생 장치로 충분한 전기를 발생시키기 위해서는 장치의 크기가 크고 무거워져 입을 수 있는 전자기기에 적용할 수 없었다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해 원자 한층 수준의 얇은 두께와 높은 물리적 특성을 가지는 이차원 반도체 물질*을 마찰전기 발생 장치의 활성층으로 적용하는 연구가 활발하게 일어나고 있다. 마찰전기가 발생할 때는 접촉하는 두 물질의 종류에 따라 발생하는 전기의 세기가 다른데, 기존의 이차원 물질은 전기를 유도하기 위해 접촉시키는 절연체 물질과 원활히 전하를 주고받지 못해 마찰전기를 통해 생산하는 에너지의 출력이 현저히 낮은 문제가 가지고 있었다. KIST-전북대 공동연구진은 이차원 반도체 물질인 이황화 몰리브덴(MoS2)의 특성을 조절하고 구조를 변경시켜 마찰전기 발생효율을 증가시켰다. 반도체 공정에서 사용되는 강한 열처리 공정을 통해 소재를 구겨지게 하여, 내부응력이 인가된 주름진 소재를 개발했다. 이렇게 만들어낸 소재는 주름 구조로 인해 단위면적당 접촉 면적이 넓어져 기존 이황화 몰리브덴보다 40%가량 마찰전기 발생효율이 향상되었다. 또한, 1만 회의 반복 실험에서도 안정적인 마찰전기 출력을 유지하는 것으로 나타났다.공동연구진은 최종적으로 개발된 주름진 이차원 소재를 터치패드나 디스플레이에 활용되는 터치센서에 적용함으로써 배터리 없이도 구동할 수 있는 가볍고 유연한 무전원 터치센서를 개발하였다. 발전효율이 높아진 터치센서는 자극에 민감하게 반응하여, 전력 없이도 적은 힘으로 터치 신호를 인식할 수 있게 댔다.유연 기판상에 제작된 입을 수 있는 무전원 터치센서 이미지 및 구동KIST 이승기 박사는 “반도체 소재의 내부 응력제어는 기존 반도체 사업에서도 유용하게 활용하는 기술로서 이차원 반도체 물질 합성과 동시에 내부응력을 인가하는 소재 합성 기술은 이번이 처음”이라며, “고분자와의 복합화로 마찰전기 효율을 증대시킬 수 있는 방안을 제시해 이차원 물질 기반 차세대 기능성 소재 개발에 밑거름이 될 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST의 주요사업과 신진연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 나노분야 저명 국제학술지인 ‘Nano Energy’ (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신호에 게재되었다.* 논문명: Laser-directed synthesis of strain-induced crumpled MoS2 structure for enhanced triboelectrification toward haptic sensors - (제1저자) 한국과학기술연구원 박성웅 학생연구원 - (제1저자) 전북대학교 박지슬 석사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이승기 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 정창규 교수

편집부 2020-09-10

화학연 조성윤 박사팀, 스펀지로 열을 전기로 바꾸는 소재 개발

- 구부러지고 늘어나고 압축 가능… 웨어러블 기기·자동차 등에 적용 기대- 『나노 에너지(Nano Energy), IF:16.602』 8월호에 논문 게재구부러지고 늘어나고 압축이 돼, 열이 있는 곳 어디에든 붙여 열을 전기 에너지로 바꿔주는 열전소재가 개발됐다. 완전히 유연한 열전소재가 개발된 건 이번이 처음이다.한국화학연구원 화학소재연구본부 조성윤 박사팀은 열원의 형태와 관계없이 어디든지 붙일 수 있는 ‘스펀지형 열전소재’를 개발하는 데 성공했다.열전소재는 열을 전기로 바꿔주는 소재로 온도 차에 의해 전기가 발생한다. 일례로 발전소 굴뚝에 열전소재를 부착하면, 굴뚝 안쪽의 고온(150도)과 바깥 상온(30도)의 온도 차로 전기가 만들어지는 것이다.연구진은 주변에서 손쉽게 구할 수 있는 스펀지에 탄소나노튜브 용액을 코팅했다. 탄소나노튜브를 물리적으로 분산시킨 용매를 스펀지에 도포한 후, 용매를 빠르게 증발시킨 것이다. 제조방법이 간단해 대량생산에도 적합하다. 모양을 만들어주는 틀 없이 스펀지를 이용해 열전소재를 만들 수 있기 때문이다. 이를테면 거푸집 없이 콘크리트 구조물을 만드는 셈이다.지금까지 대부분의 열전소재는 무기 소재로 만들어진 탓에 유연하지 않았다. 사람의 몸이나 자동차 등 다양한 곡면의 열원에 붙일 수 없을 뿐 아니라, 제조공정 자체도 까다롭고 복잡하다. 전 세계 연구진들은 유연한 열전소재를 개발하기 위해 탄소나노튜브에 주목했다. 탄소나노튜브는 전기전도도가 높고 기계적 강도가 강하며, 지구상에 풍부하게 존재하기 때문이다. 지난해 한국화학연구원 조성윤 박사팀이 탄소나노튜브를 이용해 유연한 열전소재를 만드는 데 성공했다.* 열전소재는 딱딱하다는 고정관념을 깨고, 스펀지와 유사하면서도 높게 쌓을 수 있는 탄소나노튜브 폼(foam)을 만든 것이다.* 한국화학연구원 조성윤 박사팀은 2019년 구부러진 열원에도 적용할 수 있는 탄소나노튜브 폼 열전소재를 개발했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 최고 권위지인 『어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)』 2019년 8월호 표지논문으로 선정됐다.하지만 소재 자체가 완전히 유연한 건 아니었다. 압력을 가하면 부서지는 것도 문제였다. 이러한 이유로 열전소재를 고무 기판에 넣어 사용해야 했다. 이번에는 아예 스펀지로 열전소재를 만들어 이 같은 문제를 해결한 것이다. 한국화학연구원 조성윤 박사는 “지금까지 개발된 유연한 소재는 지지체나 전극의 유연성을 이용한 것”이었다면서, “소재 자체가 유연한 건 이번 스펀지형 열전소재가 처음이고, 제조방법도 간단해 대량생산도 가능하다”고 설명했다.이번에 개발된 스펀지형 열전소재는 열전소재의 전기적 특성과 스펀지 고유의 성질을 그대로 유지하고 있다. 실험 결과, 열전소재를 압축하고 복원하는 과정을 10,000번 반복해도 형태는 물론이고 전기적 특성을 안정적으로 유지했다. 압축 전과 압축 후의 저항값*이 각각 1.0Ω(옴), 0.3Ω으로 그대로 유지된 것이다. 이는 스펀지에 기공이 무수히 많아 변형에 강하기 때문이다.* 저항은 물체에 전류가 흐를 때, 이 전류의 흐름을 방해하는 요소이다. 저항값이 낮을수록 전기가 잘 통한다. 스펀지형 열전소재의 경우, 압축했을 때 전기가 더 잘 통하는 것이다.스펀지형 열전소재의 압축 안정성 실험 결과또한, 스펀지의 탄성을 이용한 응용도 가능할 것으로 기대된다. 스펀지형 열전소재의 경우, 압력이 커질수록 발전량도 덩달아 높아졌다. 실험 결과, 열전소재를 압축했을 때 최대 2㎼(마이크로와트)의 전기를 생산하여, 압축 전과 비교해 발전량이 10배 정도 증가했다.이에 대해 연구논문 1 저자인 김정원 박사는 “스펀지의 압축되고 복원되는 탄성을 활용해 몸에 부착하는 웨어러블 기기에 적용할 수 있을 뿐 아니라, 우수한 기계적 성질이 요구되는 자동차 등에도 다양하게 응용할 수 있다”고 말했다.이어 김정원 박사는 “열전소재 분야 전망도 밝다. 현재 자동차에서 사용하고 난 후의 열이나 온천수를 이용한 열전발전 시작품의 실증실험이 진행되고 있다. 앞으로 관련 기술 수요도 증가할 것으로 예측된다”고 덧붙였다. 이번 연구성과는 그 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 권위지인 『나노 에너지(Nano Energy), IF:16.602』 8월호에 게재됐으며, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받아 수행됐다.문의: 화학소재연구본부 에너지소재연구센터 조성윤 박사(010-2301-6560), 김정원 박사(010-3332-9876)

취재부 2020-09-08

버려지는 폐플라스틱병으로 지구온난화 해결한다

- PET 폐플라스틱 이용 다공성 활성탄 제조, 지구온난화 유발 이산화탄소 흡착 포집 적용 Dr. Xiangzhou Yuan (제1저자), 이종규 박사 (제1저자), 이기봉 교수 (교신저자), 곽상규 교수 (교신저자)고려대학교 공과대학 화공생명공학과 이기봉 교수팀, 포항산업과학연구원 이종규 박사, 울산과학기술원 곽상규 교수팀이 버려지는 PET 폐플라스틱병을 이용하여 다공성 탄소 소재(활성탄)를 제조하고, 지구온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소 포집에 효과적으로 적용할 수 있음을 연구를 통하여 입증했다.플라스틱은 원하는 물성으로 가공하기 쉬워 생활에 밀접하게 사용되어왔으나 무분별한 사용으로 플라스틱이 상용화된 1950년대 이후 총 83억 톤 이상의 플라스틱 생산량 중 재활용되는 양은 25%에 불과하고 75%인 약 63억 톤이 처리되지 않고 버려지거나 소각되어 처리되고 있다. 제대로 처리되지 않은 폐플라스틱은 해양으로도 유입되어 미세플라스틱을 생성하면서 수중 생태계뿐만 아니라 인간의 건강까지 위협하고 있다. 따라서, 폐플라스틱을 재활용하는 기술은 환경 보존을 위하여 필수적인 기술인데, 이번 연구에서는 PET 폐플라스틱병을 이용하여 고부가가치 물질인 활성탄을 제조할 수 있는 기술을 개발함으로써 새로운 폐플라스틱 처리 방법을 제시했다. 특히, 개발된 기술은 기존 재활용 방법에 이용하기 어려운 심하게 더럽거나 오염된 폐플라스틱 병도 활용할 수 있다는 장점이 있다.폐플라스틱병을 이용한 활성탄 제조 및 이산화탄소 포집에 대한 모식도활성탄이라고도 불리는 다공성 탄소 소재는 대기 환경 및 수처리, 반응 촉매 등 다양한 곳에 이용되고 있는데, 야자 껍데기나 석탄 등을 열처리와 화학적/물리적 활성화 과정을 거쳐 생산하게 된다. 국내에서 생산되는 활성탄의 원료 물질은 수입에 의존하고 있어 폐플라스틱을 활성탄 제조에 활용한다면 수입 대체 및 원료가격 저감 효과가 있을 것으로 기대된다.폐플라스틱병을 이용하여 제조한 활성탄의 전자 현미경 사진(왼쪽 상단), 연속 이산화탄소 포집 운전 결과(오른쪽 상단), 활성탄 기공 형태에 따른 이산화탄소 및 질소 흡착 거동(하단)PET 폐플라스틱병을 이용하여 제조된 활성탄은 이산화탄소 포집에 상용화가 가능한 정도의 탁월한 성능이 있음을 실험을 통하여 확인했으며, 우수한 포집 성능은 이산화탄소 흡착에 유리한 크기의 기공을 잘 발달시켜 얻을 수 있음을 다양한 분석과 분자 수준의 전산모사를 통하여 밝혀냈다. 폐플라스틱을 이용하여 제조된 활성탄을 이산화탄소 포집에 적용하는 기술은 폐플라스틱 처리와 지구온난화라는 두 가지 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 방법이라 할 수 있다.PET 폐플라스틱병을 이용하여 제조된 활성탄은 이산화탄소 포집 이외에도 기존 활성탄이 이용되었던 분야에 다양하게 적용할 수 있으며, 고려대 연구팀은 다양한 종류 및 형태의 폐플라스틱, 커피 찌꺼기, 석유계 코크 등 버려지거나 가격이 저렴한 탄소 원료 물질을 활용하여 활성탄으로 고부가가치화하는 연구도 수행하고 있다.과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 C1가스리파이너리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지인 화학공학저널(Chemical Engineering Journal)에 온라인 게재됐다.* 논문명: Solving two environmental issues simultaneously: Waste polyethylene terephthalate plastic bottle-derived microporous carbons for capturing CO2* 저자 정보: Xiangzhou Yuan, Jong Gyu Lee, Heesun Yun, Shuai Deng, Yu Jin Kim, Ji Eun Lee, Sang Kyu Kwak*, Ki Bong Lee** 학술지: Chemical Engineering Journal(2019년 IF 10.652, Chemical Engineering 분야 상위 2.8%(4/143), CiteScore: 15.2)

편집부 2020-09-08

UNIST·부경대·조선대 공동 연구팀, 리튬금속전지 시스템 개발 본격 착수

- 삼성미래기술육성사업 지원받아… 재료부터 전지 시스템까지 융합연구양산형 리튬금속전지 연구에 착수한 공동 연구팀전기차 배터리의 에너지 밀도를 2배 이상 향상시킬 ‘리튬금속전지’ 연구가 본격화된다. 신진연구자들과 중견 연구자들의 융합연구로 배터리 산업의 성장 기회가 마련될지 주목된다.UNIST(총장 이용훈)와 부경대학교, 조선대학교 공동 연구팀이 차세대 전기차 배터리 개발을 위한 연구를 시작한다. 연구팀은 지난 6월 삼성미래기술육성사업 신규과제로 선정됐으며, 8월부터 본격적인 연구에 착수했다.인물사진 4장 첨부(좌측부터 UNIST 정경민 교수, 최남순 교수, 부경대 오필건 교주, 조선대 손윤국 교수)정경민, 최남순 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수와 오필건 부경대학교 인쇄정보공학과 교수, 손윤국 조선대학교 전기공학과 교수로 구성된 연구팀은 향후 2년간 10억 원을 지원받아 리튬금속전지 시스템을 위한 전극 설계와 소재기술 개발에 나선다.리튬금속전지는 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지로, 현재 상용화된 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 높아 전기차용 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 공동 연구팀은 양산 가능한 리튬금속전지를 개발, 무게는 가벼우면서도 에너지 용량은 더 큰 차세대 전기차용 배터리 구현을 목표로 하고 있다.연구책임자인 정경민 교수는 “현재 국내 배터리 생산기반과 제조기술을 가능한 그대로 이용하면서 고용량 배터리를 양산할 수 있도록 만드는 것이 목표”라며, “배터리 산업이 한 단계 도약하는데 실질적 기여를 할 수 있는 연구를 추진해나갈 계획”이라고 밝혔다.연구팀은 리튬금속전지 상용화를 위한 새로운 재료 개발에서부터, 촉매 물질, 전해액, 전극기술과 전지 시스템까지 배터리 개발 전 과정에 걸친 연구를 수행할 계획이다. 연구팀에는 각 분야를 담당할 전문가들이 함께하고 있는데, 이들은 모두 UNIST에서의 연구 경험을 갖고 있다는 공통점이 있다.오필건 부경대 교수와 손윤국 조선대 교수는 모두 UNIST에서 박사 학위를 취득했다. 이들은 산업체 경험을 거쳐 각 대학 교원으로 임용됐으며, 차세대 배터리 소재 연구를 수행하고 있다. 이번 공동 연구팀은 UNIST 소속 교원들과 UNIST 출신 교원들이 한 팀을 이룬 셈이다.정경민 교수는 “이번 공동연구는 이차전지 연구에 최적화된 UNIST의 연구 환경과 인재육성 시스템이 있었기에 시작될 수 있었다”며, “짧은 역사에도 불구하고 실용적 융합연구 전통이 이어지고 있는 만큼, 미래를 바꿀 차세대 전지 연구가 더욱 활발하게 진행될 것으로 기대한다”고 밝혔다.UNIST는 최근 산업통상자원부의 ‘산업 혁신 인재성장 지원 사업’ 중 하나인 배터리 전문 인력양성사업 수행 대학으로 선정되기도 했다. 이에 따라 UNIST는 향후 5년간 ‘배터리 핵심 소재’ 전문 인력을 양성하게 된다.한편 삼성미래기술육성사업은 삼성전자가 기초과학 발전과 산업기술 혁신을 위해 기금을 출연해 시행하는 과학기술연구 지원 사업이다. 올해 상반기 연구과제로는 총 28건이 선정됐는데, UNIST에서는 정경민 교수를 포함 총 3건의 과제가 선정됐다. 부경대학교와 조선대학교는 이번 공동 연구팀의 과제가 첫 선정 사례다. 자료문의: 에너지 및 화학공학부: 정경민 교수(052)217-2596

편집부 2020-09-08

‘공기 구멍’ 많아지면 더 튼튼해지는 다공성 금(gold) 소재 개발 UNIST 김주영 교수팀, 다공성 금 소재의

- 자가치유 특성·넓은 표면적의 3차원 나노소재 최초 구현… Nano Letters 게재 값비싼 금 대신 ‘공기’를 채워 넣어 가볍고, 내부 표면적이 넓은 소재가 나왔다. 금 내부의 공기구멍(pore)을 아주 작게 만들어 강도는 높고, 자가치유 능력까지 있다.UNIST(총장 이용훈) 신소재공학부 김주영 교수 연구팀은 부러진 후에도 쉽게 다시 붙는 ‘자가치유 능력’을 가진 3차원 나노 다공성(nano porous) 금 소재를 개발했다. 연구팀은 다공성 금 소재 내부의 기공을 작게 만드는 방법을 이용해 쉽게 부서지는 다공성 소재의 단점을 해결했다.물질 내부에 미세한 구멍을 많이 만들면 반응이 일어날 수 있는 표면적이 넓어진다. 나노 다공성 금 소재도 내부에 수십 나노미터(㎚, 1㎚=1억분의 1m) 크기의 작은 구멍이 촘촘히 있는 구조를 갖는다.넓은 표면적 때문에 반응성이 좋아 센서, 전극 재료, 촉매 등으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 공기로 채워져 있어 무게가 가볍고 금의 인체 친화성 때문에 생체 재료로도 사용할 수 있다. 하지만 소재 자체가 갖는 다공성 구조 때문에 작은 변형에도 쉽게 균열이 일어나 활용에 제약이 있었다.다공성 금의 이미지 연구팀은 기공을 25나노미터 크기로 줄여 오히려 더 튼튼하고 잘 부서지지 않는 다공성 금 소재를 만들었다. 일반적으로 기공 숫자가 많아지면 강도가 떨어지지만, 이번에 개발된 소재는 크기가 작은 기공이 조밀하게 있음에도 강도가 높다. 특히 부러진 이후에도 스스로 달라붙는 능력이 있어 파손된 이후 강도가 처음 강도의 약 50% 수준까지 회복된다. 자가치유된 나노 다공성 금의 강도 변화 연구진은 추가적 실험을 통해 강도가 높은 원인과 자가치유 과정을 밝혀냈다. 확산을 통해 움직이는 금 원자가 파손된 단면을 메우는데, 기공이 작아지면 표면에 노출되는 금 원자 비율이 높아져 원자가 잘 확산되기 때문이다. 그뿐만 아니라 메워지는 단면의 형태가 매우 뾰족해서 자가치유 현상이 촉진된다. 결과적으로, 열이나 전자빔은 같은 외부 에너지 없이 ‘절단면이 살짝 접촉했을 때 자연적으로 발생하는 힘’(압축 응력)만으로 균열이 치유된다.이번 연구에 제1저자로 참여한 곽은지 신소재공학부 박사는 “기공이 작을수록 표면에 노출되는 원자가 많아 상온에서 원자의 확산(diffusion)이 잘 일어난다는 점과 금 뼈대가 엿가락처럼 끊어질 때(necking*) 그 단면이 기공 크기(25nm)보다 더 작다는 점 때문에 자가치유 현상이 잘 일어난다”고 설명했다.* 네킹(necking): 연성(延性)을 가진(말랑말랑한) 금속이나 고분자 재료 등을 위아래로 잡아당겨 늘리면(인장) 변형하는 부분과 변형하지 않는 부분으로 나뉘고, 그 경계에 잘록함이 생기는데 이를 네킹이라고 한다. 말랑말랑한 엿가락을 잡아당겨 끊을 때 절단 부분이 가늘어지는 현상과 같다.개발된 소재는 다공성 소재의 장점과 금의 장점을 모두 갖췄다. 기공이 전체 부피의 70%를 차지해 가벼우며, 일반적인 금에 비해 표면적은 10만 배 이상 넓다. 또 전기전도도가 높고 화학적으로 안정한 데다 생체에도 적합하다. 금의 장점을 그대로 유지한 것이다.김주영 교수는 “나노 다공성 금은 화학적으로 안정적이며 인체에 무해한 소재”라며, “이번 연구로 쉽게 부서진다는 약점을 극복한 만큼 다양한 분야로 활용될 것”이라고 기대했다. 또한 “파손된 금 소재를 재활용할 수 있다는 측면에서도 중요한 연구”라고 밝혔다.이번 연구는 나노분야의 국제학술지인 나노 레터(Nano Letters) 8월 14일 자로 온라인 공개됐으며, 24일 정식 출판을 앞두고 있다. 연구수행은 한국연구재단의 ERC 후속 지원사업, 소재융합혁신기술개발사업과 포스코 청암재단 ‘포스코 사이언스 펠로십’의 지원을 받아 이뤄졌다.* 논문명: Self-Healing of Nanoporous Gold Under Ambient Conditions자료문의: 신소재 공학부: 김주영 교수 (052)217 2334

편집부 2020-09-08

페인트처럼 칠해서 만들 수 있는 태양전지, 실험실 밖으로 나온다

- 대면적 용액공정 태양전지 핵심 소재 설계를 위한 원리 규명- 향후 플라스틱 기반의 태양전지 페인트 기술로 활용 기대국내 연구진이 태양전지 원료의 용액을 코팅 후 고체화되는 속도를 제어하는 방법으로 고효율 용액공정1) 유기 태양전지의 대면적화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 용액 공정상에서 유기 태양전지 소재의 작은 면적과 큰 면적에서 필름 형성 기작의 차이점을 규명하고 이를 공정 기술상의 해결을 통해 고효율 유기 태양전지2) 대면적화 기술을 개발했다고 밝혔다.KIST 손해정 박사팀의 연구원(박소현 연구원(좌), 박성민 박사(우))들이 고효율 유기 태양전지의 대면적화에 성공, LED 전력 테스트를 하고 있다.태양전지 소재를 페인트처럼 만들어 건물이나 자동차 등 원하는 공간에 칠하는 방식으로 쉽게 만들고, 전기를 자급자족하게 할 수 있다면 세계 에너지 빈곤층에 저가의 친환경 에너지 공급이 가능해질 것이다. 그뿐만 아니라 도심 건물에 태양광 설치를 위한 공간 활용이 쉬워지고, 이상적으로는 필요시에 페인트를 덧바르는 형태로 태양전지 패널을 유지 보수할 수 있다.이러한 태양전지 소재의 용액을 코팅하는 방식을 이용한 태양전지 생산 기술인 용액공정 태양전지는 전기를 생산하는 활성 영역3)이 매우 작은(0.1㎠ 이하) 실험실 수준에 머물러 있다. 실질적으로 전력생산이 가능한 넓은 면적으로 적용하면 소재와 공정에서 오는 한계로 태양전지의 성능감소와 재현성 문제가 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. KIST 손해정 박사팀에서는 스핀 코팅을 활용한 용액공정 방식으로 대면적의 고효율 태양전지 기술을 구현했다.KIST 손해정 박사팀은 상용화된 유기 소재가 쉽게 결정화되는 성질을 갖고 있어 대면적 용액공정에 부적합하다는 사실을 밝혔다. 산업용으로 쓰이는 대면적 용액공정은 태양전지 소재가 녹아 있는 용매가 증발하여 필름이 형성되는 속도가 느리기 때문에, 뭉침 등의 현상이 일어나 태양전지의 효율이 떨어지게 된다. 반면에 실험실 연구 단위에서 쓰이는 작은 면적용 공정인 스핀 코팅 방법의 경우 필름 형성 과정에서 필름을 빠르게 회전시켜 용매의 증발을 빠르게 진행시키기 때문에 이런 문제점 없이 고효율의 필름을 형성할 수 있다.유기 태양전지 광활성 층 소재에 따른 대면적 용액공정 최적화 기술개발KIST 연구진은 위 사실을 바탕으로 대면적 용액공정 방식에서 코팅 공정 후 용매의 증발속도를 제어하여 태양전지 성능에 최적화된 필름을 형성, 고성능 대면적 유기 태양전지를 개발했다. 그 결과, 기존보다 태양전지 광전변환 효율4)이 30% 상승한 9.6%의 고효율 대면적 유기 태양전지 기술을 구현하였다. 용액공정 태양전지 (Solution processable solar cell) : 기존의 고가의 진공 프로세스가 아닌 잉크 타입의 유기물 전구체를 이용하여 저가의 코팅이나 인쇄방식으로 제작되는 태양전지 유기태양전지(Organic Photovoltaics) : 탄소 기반의 전도성 광 흡수 유기재료를 사용하여 만든 태양전지 활성 영역(Photoactive area) : 태양 빛을 흡수하여 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 태양전지 내 필름 형태 부품으로 필름의 크기를 칭함 광전변환효율 (Power conversion efficiency) :정격 최대출력 조건에서 출력전력과 입력 유효전력의 비를 말함.KIST 손해정 박사는 “고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 디자인 원리를 제안함으로써 향후 용액공정 태양전지 개발이 가속화될 것으로 예상된다”라고 말하며, “차세대 용액공정 태양전지의 고효율화뿐만 아니라 상용화에 필요한 대면적 제조를 위한 태양전지 소재의 핵심기술 개발에 기여하였다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’(IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.088%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: ‘Development of highly efficient large area organic photovoltaic module: Effects of non-fullerene acceptor’- 제1저자: 한국과학기술연구원 박소현 학생연구원- 제1저자: 한국과학기술연구원 박성민 박사후연구원- 교신저자: 한국과학기술연구원 손해정 책임연구원문의: 광전하이브리드연구센터 손해정 책임연구원(T.02-958-5320, 010-2167-1333, hjson@kist.re.kr)

편집부 2020-09-03

생분해성 친환경 포장재/필름 기술개발 동향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

취재부 2020-09-02

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 26

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

취재부 2020-09-02