1만번 접었다 펴도 성능 유지… 태양전지 소재 개발

부산대-KIST, 日과 공동연구 성과

한국연구재단(이사장 노정혜)은 전일 교수(부산대·사진), 이필립 박사(KIST) 연구진이 한·일 공동연구를 통해 탄소나노튜브-폴리이미드로 구성된 투명 전도성 필름을 개발하고 이를 적용한 접을 수 있는 태양전지를 제안했다고 15일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지를 말한다. 광전변환효율이 높고 유연화할 수 있어 휴대용 전력원으로 주목받고 있다. 하지만 접거나 구부릴 수 있는 휴대용 디바이스의 전원으로 활용하려면 하부 투명전극의 유연성을 높여야 했다.

탄소나노튜브는 육각형의 탄소원자 격자로 구성된 그래핀이 수 나노미터의 원통 형태로 말려있는 나노재료. 우수한 물리적 특성으로 활용성이 높다.

유연성과 투명성을 동시에 지닌 좋은 전극 후보 물질이지만 내부의 빈 공간들과 거친 표면 때문에 하부 전극으로 활용하는 데 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 그물 형태의 탄소나노튜브의 빈틈과 거친 표면을 폴리이미드로 보완한 투명전도체를 개발했다.

폴리이미드가 빈틈을 매우고 거친 표면을 매끄럽게 유도해 유연하고 투명한 탄소나노튜브의 장점을 살리되 단점은 보완했다. 폴리이미드는 이미드 고리를 가지는 고분자 재료, 화학적 안정성, 유연성, 내열성, 내화학성을 지닌다. 전자 디바이스에 널리 활용된다.

실제 이를 적용해 제작한 접을 수 있는 폴더블 페로브스카이트 태양전지는 기존에 보고된 탄소나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 광전변환효율(15.2%)를 나타냈다.

접음 조건(0.5㎜ 굽힘 반경)에서 1만회 반복 사이클 후에도 성능이 처음과 동일하게 유지되는 높은 유연성을 보였다.

굽힘 반경은 필름을 구부릴 때 구부리는 지점에서 형성되는 곡률의 반경을 뜻한다.

한편 전기전도도 향상을 위해 첨가한 몰리브데넘삼산화물(MoO3)은 산소가 차단된 고온 조건에서 그 효과가 극대화된다.

탄소 나노튜브를 감싸는 본 전도체 필름의 구조와 열 안정성 덕분에 추가적인 작업 없이 전극의 전기 전도도를 향상 효과가 극대화됐다.

탄소나노튜브를 유연 태양전지 등 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 고 유연성 전자소자의 전극으로 효과적으로 활용할 수 있는 토대가 될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터사업, 기후변화대응기술개발사업과 글로벌프론티어사업 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)'에 지난 8일자로 게재됐다.

[e-mail] 노주섭 기자