광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소에서 개발한 얇고 투명한 유기 태양전지가 정부 인증을 받으면서 상용화 단계로 진입했다. 200㎠ 크기의 태양전지 모듈이 세계 최고 수준인 12% 효율을 달성한 것을 인정 받았으며, 14% 효율로 높여 추가 인증을 준비중이다. 6일 GIST에 따르면 강홍규 책임연구원과 이광희 교수팀이 개발한 유기태양전지가 비할로겐 용매 모듈 분야에서 세계 최고 효율 12%를 달성해 산업통상자원부 국가기술표준원 산하 기구인 한국인정기구(KOLAS)의 공식 인증을 받았다. KOLAS 인증은 해외에서도 동일하게 인정받을 수 있어 기업의 해외시장 진출에 용이하다. 강홍규 책임연구원은 "독일의 경우 국가의 지속적인 R&D 지원과 투자를 통해 10% 미만 효율임에도 상용화해 건물에 실증을 추진하고 있다"고 말했다. 유기 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 제작 비용이 저렴할 뿐만 아니라 가볍고 유연하며 투명하다는 장점이 있다. 특히 유기 태양전지는 저조도 환경에서도 태양광을 전력으로 변환할 수 있다. 연구진은 "기존 실리콘 태양전지의 하루 평균 최대 발전 시간인 약 3.5시간보다 더 오래(약 5시간) 발전이 가능해 약 13% 효율만으로도 이미 상용화된 실리콘 태양전지와 유사한 연간 발전량을 확보할 수 있다"고 설명했다. 기존 유기 태양전지 모듈은 크기가 커질수록 효율성이 떨어진다. 또 클로로벤젠, 디클로로벤젠 등 독성이 강한 할로겐 유기 용매 사용으로 인해 작업자의 건강에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 발생하는 증기나 부산물로 환경이 오염될 수 있어 상용화에 큰 어려움이 있다. 할로겐 용매를 쓰지 않고 만든 유기 태양전지는 추후 기존 실리콘 태양전지의 10분의 1 수준에 해당하는 저렴한 제조 비용과 유연한 필름 형태로 다양한 장소에 시공이 가능하다는 장점이 있어 태양광 활용 및 기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 한편, 연구진은 비할로겐 용매로 공정 최적화를 통해 현재 약 14% 이상의 모듈 효율을 달성해 추가 인증 절차를 추진할 예정이다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소에서 개발한 얇고 투명한 유기 태양전지가 정부 인증을 받으면서 상용화 단계로 진입했다. 200㎠ 크기의 태양전지 모듈이 세계 최고 수준인 12% 효율을 달성한 것을 인정 받았으며, 14% 효율로 높여 추가 인증을 준비중이다. 6일 GIST에 따르면 강홍규 책임연구원과 이광희 교수팀이 개발한 유기태양전지가 비할로겐 용매 모듈 분야에서 세계 최고 효율 12%를 달성해 산업통상자원부 국가기술표준원 산하 기구인 한국인정기구(KOLAS)의 공식 인증을 받았다. KOLAS 인증은 해외에서도 동일하게 인정받을 수 있어 기업의 해외시장 진출에 용이하다. 강홍규 책임연구원은 "독일의 경우 국가의 지속적인 R&D 지원과 투자를 통해 10% 미만 효율임에도 상용화해 건물에 실증을 추진하고 있다"고 말했다. 유기 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 제작 비용이 저렴할 뿐만 아니라 가볍고 유연하며 투명하다는 장점이 있다. 특히 유기 태양전지는 저조도 환경에서도 태양광을 전력으로 변환할 수 있다. 연구진은 "기존 실리콘 태양전지의 하루 평균 최대 발전 시간인 약 3.5시간보다 더 오래(약 5시간) 발전이 가능해 약 13% 효율만으로도 이미 상용화된 실리콘 태양전지와 유사한 연간 발전량을 확보할 수 있다"고 설명했다. 기존 유기 태양전지 모듈은 크기가 커질수록 효율성이 떨어진다. 또 클로로벤젠, 디클로로벤젠 등 독성이 강한 할로겐 유기 용매 사용으로 인해 작업자의 건강에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 발생하는 증기나 부산물로 환경이 오염될 수 있어 상용화에 큰 어려움이 있다. 할로겐 용매를 쓰지 않고 만든 유기 태양전지는 추후 기존 실리콘 태양전지의 10분의 1 수준에 해당하는 저렴한 제조 비용과 유연한 필름 형태로 다양한 장소에 시공이 가능하다는 장점이 있어 태양광 활용 및 기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 한편, 연구진은 비할로겐 용매로 공정 최적화를 통해 현재 약 14% 이상의 모듈 효율을 달성해 추가 인증 절차를 추진할 예정이다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 차세대 태양전지 연구센터 손해정 박사팀과 함께 넓은 면적의 유기태양전지 전력변환 효율을 11.28%까지 끌어올렸다. 연구진은 태양전지의 효율이 떨어지게 만드는 뭉침현상을 제어하는 기술을 개발해 58.5㎠에 달하는 넓은 면적의 유기태양전지를 만들었다. 유기태양전지는 실리콘태양전지와 달리 용액공정이 가능하고, 가볍고, 유연하고, 반투명하게 만들 수 있다. 때문에 현재 상용화된 실리콘 태양전지보다 응용 분야가 넓을 것으로 보인다. 특히 건물외벽이나 창문, 자동차 외부 등 다양한 공간에 유기태양전지를 설치할 수 있다. 또 소재나 제조공정 비용이 적게 들 것으로 예상돼 벽에 프린팅하듯 태양전지를 설치하고 사용중 하자가 생기면 벗겨내고 다시 설치할 것으로 전망하고 있다. 효율이 높은 태양전지를 개발하더라도 측정된 효율은 대부분 1㎠의 작은 크기로 만든 태양전지의 성능이다. 연구진은 넓은 면적으로 만들때 태양전지 소재들이 고루 퍼지지 않고 뭉쳐 효율이 떨어지는 것에 집중했다. 유기태양전지 소재로 쓰이는 n형 반도체와 p형 반도체가 잘 섞이도록 혼화성을 조절했다. 태양전지는 태양빛을 받아 전자를 주고 받는 과정에서 전기가 만들어지므로 소재가 얇고 고를수록 성능이 올라간다. 연구진은 태양전지 제작과정에서 소재들의 뭉침현상을 제어함으로써 태양전지 필름 표면의 거칠기를 수 나노미터 단위까지 고르게 만들었다. 그결과 대면적 유기 태양전지는 58.5㎠의 큰 면적에서도 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록했다. 지금까지 발표된 비슷한 크기의 유기 태양전지의 평균 전력 변환 효율인 6.69%와 비교해도 상당히 높은 성능이다. 손해정 박사는 "58.5㎠의 대면적 유기 태양전지에서도 1㎠ 유기 태양전지가 만들어낼 수 있는 전력변환 효율을 유지했다"고 말했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 대면적의 유기태양전지를 세계적인 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 발표했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀이 유기태양전지를 넓은 면적으로 만들어도 성능이 유지되는 기술을 개발했다. 27일 KIST에 따르면 연구진은 빛을 받아 전기가 만들어지는 광활성층을 세 종류의 유기반도체 소재로 제작했다. 58.5㎠로 만든 대면적 유기태양전지 모듈은 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다. 유기태양전지는 건물 벽면이나 옥상의 외장재, 창문 등에 프린팅 하는 방법으로 제작이 가능해 도심형 태양광 발전의 핵심기술로 주목 받고 있다. 하지만 지금까지의 고효율 유기태양전지들은 실험실 수준에서 개발된 0.1㎠ 미만의 좁은 면적이다. 넓은 면적의 모듈을 제작할 때 발생하는 성능감소와 재현성 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 연구진은 유기태양전지 내 광활성층의 형태에 주목했다. 광활성층은 일반적으로 p형과 n형의 반도체 소재를 이용해 인쇄방식으로 쉽게 제작 할 수 있다. 하지만 광활성층을 만들때 용매증발 과정에서 p형 고분자가 뭉치면서 불균일한 구조를 만들어 낸다. 연구진은 새로운 광활성층을 사용해 58.5㎠ 크기의 유기태양전지를 만들어 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다. 기존 두 종류의 유기반도체 소재로 만든 태양전지의 광전 변환효율은 12.59%였다. 내구성도 향상됐다. 85도 온도에서 가속화테스트를 진행할 경우 1000시간 성능을 유지한다. 이는 일반적인 환경에서 5년 정도 성능이 유지되는 것을 뜻한다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 김동유 교수팀이 유기태양전지를 만드는 공정에 작은 물방울 하나를 첨가해 전기변환 효율을 높였다. 태양전지가 만들어지는 과정에서 물방울을 이용해 전기를 만들어내는 광활성층을 최적화한 것이다. 그결과, 넓은 면적의 유기태양전지 광전효율이 10.47%에서 최고 11.92%로 개선됐다. 김동유 교수는 3일 "고효율·고안정성의 대면적 유기태양전지 대량생산 및 실용화를 앞당기는 데 기여할 것"으로 내다봤다. 유기태양전지는 무기태양전지에 비해 저온 용액 공정이 용이하고 가벼우면서도 유연하며 비교적 투명한 필름을 가지는 것이 특징이다. 연구진은 소량의 물을 이용한 친환경 공법으로 대면적 유기태양전지 제작 과정에서 용액내 분산상태를 쉽게 제어했다. 즉, 유기태양전지 제작 및 준비과정에서 대기시간 동안 발생하는 도너나 억셉터 물질들이 과도하게 뭉치는 것을 막아 최적의 활성층 박막을 얻어냈다. 20마이크로리터의 물을 이용한 수처리 공법은 이중층으로 형성된 물이 유기용매 안에 섞이지 않은 작은 물방울(droplet) 상태로 침투한다. 물방울 주변에 작은 소용돌이를 만들어 유기용매 안의 도너와 억셉터가 뭉치는 것을 막고 고르게 분포하게 만드는 역할을 한다. 도너-억셉터는 유기태양전지 내 햇빛을 받아 전류를 만드는 부분인 '광활성층'을 이루는 물질이다. 전자가 풍부한 '도너' 물질과 전자가 부족한 '억셉터'로 구성돼 있다. 도너는 태양빛을 받아 전자를 만들어 보내고, 억셉터는 도너에서 전자를 받아 분리되며 전류가 생산된다. 연구진은 대면적 유기태양전지 및 모듈을 제작하는데 슬롯 다이 프린팅 방법을 사용했다. 이를 통해 0.1㎠ 소면적 유기태양전지는 최고 13.06%, 10㎠ 대면적 유기태양전지 모듈은 최고 11.92% 효율을 달성했다. 이 기술을 사용하지 않고 만든 유기태양전지의 광전효율은 10.47%였다. 슬롯 다이 프린팅은 면적이 넓은 칼날을 이용해 액적의 맺힘 형태를 유지하며 일정 두께의 박막을 인쇄하는 방법이다. 용액 주입 및 인쇄 속도 등에 따라 다양한 형태 및 두께로 박막 특성을 제어할 수 있어, 최근 대면적 유연 전자 소자를 제작하기 위해 사용되고 있다. 김동유 교수는 "수처리 과정에서 발생하는 작은 소용돌이를 이용해 용액과 필름 상태의 도너-억셉터 분산 상태 모두를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이 이번 연구 성과의 가장 큰 의의"라며 "향후 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정이 도입된 대면적 태양전지의 제작과 실용화를 위한 원천 기술을 확보한 것으로 대량생산 기술의 실용화에 기여할 것"이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 신소재공학부 김동유 교수가 주도하고, 한나라 박사과정생(제1저자)이 수행해 나노 및 재료 분야의 권위적인 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 프론트 표지 논문으로 선정됐으며 6월 23일 온라인 게재됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 유기태양전지를 상용화로 가는 걸림돌을 또 하나 제거했다. 큰 면적으로 만들어도 실험실에서 얻은 성능을 그대로 유지할 수 있는 방법을 찾아낸 것이다. 이 방법으로 58.5㎠ 크기의 유기태양전지를 만들어 9.6%의 광전변환효율을 얻었다. 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 용액으로 된 태양전지 원료를 코팅 후 마르는 속도를 제어하는 방법으로 유기태양전지 제작 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 연구진은 앞으로 이를 통해 건물외벽이나 창문, 자동차 외부 등 다양한 공간에 유기태양전지를 설치해 전기를 얻게 될 것이라고 전망했다. 손해정 박사는 연구실에서 실험한 유기태양전지의 성능이 실제 큰 면적으로 만들었을때 떨어진다는 점을 주목했다. 연구실에서 실험때 쓰이는 유기태양전지는 보통 0.1㎠ 면적으로 만드는데 이때 스핀코팅 방법을 사용한다. 이 방법은 용액 속의 전자를 주고 받는 소재인 ITIC와 PBDB-T를 뭉치지 않고 고르게 코팅할 수 있다. 하지만 큰 면적으로 만들때는 이 방법을 사용하지 못해 고효율의 성능을 유지하지 못해 상용화에 걸림돌이었다. 연구진은 유기태양전지 만드는데 정밀화된 롤로로 미는 것처럼 블레이드 코팅 방법을 사용했다. 또 태양전지 용액을 기판에 코팅시 약 50℃로 가열해 빠르고 일정하게 코팅해 기존 성능을 유지할 수 있게 만들었다. 이를 통해 기존 방법으로 만든 유기태양전지는 광전변환효율이 6%였던 반면 새로운 방법으로 만든 것은 9.6%의 성능을 얻었다. 유기태양전지를 실제 사용하기 위해서는 내구성 문제도 해결해야 한다. 손해정 박사는 "이 유기태양전지가 연구실 조건에서 실험했을때 최소 수년정도 이상 유지될 수 있는 정도로 개발하고 있다"고 설명했다. 손 박사는 향후 벽에 프린팅하듯 태양전지를 설치하고 사용중 하자가 생기면 벗겨내고 다시 설치할 수 있을 것이라고 전망했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 유기태양전지 제조 비용을 20분의 1 수준으로 저렴하게 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이를 바탕으로 유기태양전지 상용화에 물꼬를 틀 전망이다. 한국화학연구원은 송창은·신원석 박사팀과 경기대학교 임은희 교수팀이 유기태양전지 신소재를 개발했다고 29일 밝혔다. 유기태양전지는 빛을 흡수해 전하를 생성하는 광활성층에 유기물질을 사용하는 차세대 태양전지다. 광활성층은 전자주개와 전자받개로 이뤄져 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리다. 공동 연구진은 분자구조가 단순한 신소재(T2-ORH)를 개발했다. 단 2단계 만에 합성할 수 있는 소재로, 합성시간과 비용을 크게 줄였다. 실제 신소재 합성비용은 그램당 40달러로, 기존 비풀러렌 소재 합성법의 20분의 1 수준이다. 또한 전자주개 소재가 흡수하지 못하는 단파장 영역(자외선)을 흡수할 수 있어 광전변환효율을 높였다. 경기대 화학과 임은희 교수는 "대학교 학부 유기화학실험 수준의 간단한 합성법을 사용해 단 2단계 만에 저가로 합성하는 소재로도 고성능 유기태양전지를 만들었다"고 설명했다. 연구진은 유기태양전지를 최적의 비율(2:1)로 전자받개 신소재(T2-ORH)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 섞어 만들었다. 실험결과 광전변환효율이 0.1㎠ 기준으로 9.33%를 기록했다. 기존 전자받개 소재(ITIC)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 2:1로 혼용한 유기태양전지 효율은 7.46%(0.1㎠)였다. 화학연구원 송창은 박사는 "기존의 복잡한 화학 구조를 탈피한 신소재의 개발 전략이 앞으로 고성능 유기태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것"이라고 전망했다. 공동 연구진은 여기서 한발 더 나아가 인체와 환경에 유해한 할로겐 용매 대신 비할로겐 용매에서도 용액공정이 가능하도록 용해도를 향상시켰다. 신소재 분자(T2-ORH)의 양 끝에 비대칭적인 곁사슬을 붙이는 방법으로 T2-OEHRH를 만들었고, 비할로겐 용매에서의 용해도를 향상시켰다. 그와 동시에 신소재 특유의 광학적·전기화학적 특성을 그대로 유지하는 데 성공했다. 그 결과, T2-OEHRH와 PTB7-Th를 2:1로 혼용한 유기태양전지는 0.1㎠에서 9.7%, 대면적에서는 6.2% 광전변환효율을 나타냈다. 이번 연구결과는 '어드벤스드 에너지 머티어리얼즈'의 2019년 4월호와 '저널 오브 머티어리얼즈 캐미스트리'의 2019년 10월호, 2020년 5월호에 게재됐다. 또한 관련 연구결과는 국내 및 미국에 특허 등록됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 흐린 날에도 효과적으로 전기를 생산해 낼 수 있는 고효율 유기태양전지를 개발했다. 이번에 개발한 유기태양전지를 이용해 향후 적은 전력으로 구동할 수 있으면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜이나, 사물 인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST)은 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀이 약한 빛에도 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발해 고효율의 유기태양전지를 만들었다고 24일 밝혔다. KIST 연구진은 기존의 세계 최고 수준의 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 소재에 염소와 황 성분을 도입했다. 개발된 신소재는 약한 빛에도 효과적으로 전기에너지 생산이 가능하며, 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화할 수 있도록 했다. 연구진은 실제로 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작, 평상시 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전할 수 있는 것을 실험을 통해 확인했다. 개발된 신소재는 맑은 날 태양광의 10분의 1 수준인 조건에서 기존 소재에 비해 30% 향상된 성능으로 13.23%의 효율을 보였다. 태양전지 모듈의 경우 실내조명인 형광등(500lx)을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 21.53% 효율로 전기를 생성할 수 있었다. 특히 기존에 알려진 세계 최고 효율의 고분자에 비해 26% 어두운 빛의 환경(3700 lx)에서도 동일한 전력을 생산할 수 있는 높은 효율성을 가진 것으로 나타났다. KIST 손해정 박사는 "이번 성과는 우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술 개발에 기여했다"라고 설명했다. 손 박사는 이어 "향후 지속적인 추가연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양전지 핵심 소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업으로 수행됐으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 'ACS 에너지 레터스' 표지논문으로 선정돼 게재될 예정이다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 대학과 기업의 연구진이 공동으로 종이에 인쇄하듯이 유기 태양전지를 인쇄하는 모듈을 개발했다. 기존 유기태양전지에 사용하는 소재에 비해 쉽게 제작이 가능하고 생산비용도 저렴해 상용화로 빠르게 이어질 가능성이 높아졌다. 건국대학교 공과대학 화학공학부 문두경 교수 연구팀이 ㈜코오롱인더스트리·코오롱미래기술원과 공동으로 인쇄공정에 의한 차세대 비풀러렌계 유연 유기 태양전지 모듈을 개발했다고 22일 밝혔다. 차세대 태양 전지로 부각되고 있는 유기 태양전지를 상용화 하기 위해서는 넓은 면적으로 만들고 유연하며 탈 증착 공정이 필요하다. 또한 에너지효율이 높지만 제작공정이 까다롭고 생산 단가가 비싼 플러렌계 소재를 이용해 태양전지를 만들어야 한다. 문 교수 연구팀은 이를 극복하기 위해 자체 연구 개발된 비풀러렌계 도너 소재(SMD2)와 HTL소재(OLED용 유기소재)를 도입했다. 또한 세계 최초로 원단이나 필름에 일정한 두께로 코팅하는 슬롯다이코팅 기법만으로 유연 유기 태양전지 모듈을 만들었다. 이를 통해 유기 태양전지 상용화의 큰 난제였던 비(非)풀러렌계 소재의 면적을 크게 넓히는 과정에서 발생되는 효율과 안정성 감소를 성공적으로 극복했다. 건국대 문 교수팀이 자체 개발한 소재를 이용해 코오롱인더스트리㈜의 유기 태양전지 생산 라인에서 제조된 80㎠의 대면적 유연 모듈은 효율 5.25%에 419.6 mW의 출력을 나타냈다. 이는 생산단가를 낮춰 제작할 수 있는 결과로, 유기 태양전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 건국대 문두경 교수팀은 최근 한계극복형 알키미스트 프로젝트로 투명 유기 태양전지 연구과제에 선정되면서 유기 반도체 소재와 소자 연구 분야에서 신기술을 선도하는 연구결과를 지속적으로 발표하고 있으며 유기 태양전지 분야 최고 연구기관으로 주목받고 있다. 문두경 교수는 "이번 연구결과는 최근 화두가 되고 있는 한일간 소재 원천기술 경쟁과 소재 국산화 등의 이슈 가운데 얻은 결과로 더욱 의미 있다"며 "앞으로 휴대용 충전기, 차량용 태양전지, 건물일체형 태양전지 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 전망된다"고 말했다. 이번 연구결과는 재료공학 및 물리화학분야 상위 2%이내 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 2019년 42호 표지 논문으로 선정됐다. 이번 연구는 건국대 한용운 박사와 전성재 박사가 공동 제1저자, 이형석 석사과정, ㈜코오롱인더스트리·코오롱미래기술원 박홍관 책임연구원, 김광수 책임연구원과 제주대학교 이호원 교수가 공동저자로 참여했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

3세대 태양전지인 유기태양전지를 대량생산할 수 있는 길이 열렸다. 상온 25℃에서 롤투롤(Roll-to-roll) 인쇄공정에 적용 가능한 기술이 개발된 것이다. 롤투롤은 윤전기로 신문을 찍어내듯 태양전지를 필름형태로 대량 생산하는 인쇄공정이다. 유기태양전지는 유기물 자체의 손쉬운 가공성으로 인해 롤투롤 인쇄공정으로 유연한 소자 제작이 가능하며, 제조비용도 저렴하다. 이처럼 유연하고 투명한데다 다채로운 색상 구현이 가능해 휴대용 웨어러블 소자, 아웃도어 제품, 인테리어 내장재 등 다양한 용도에 활용할 수 있다. 지금까지 유기태양전지는 실험실에서 높은 광전변환효율(빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율)을 내지만, 실제 대량생산 환경에서는 효율이 반 토막 났다. 실험실의 고온 110℃에서는 단위소자 기준 9%대의 효율을 기록한 반면, 실제 롤투롤 공정이 이뤄지는 상온 25℃에서는 4%대로 효율이 크게 떨어진 것이다. 이는 유기태양전지 광활성층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 물질로 태양전지 효율을 결정)에 들어가는 고결정성 고분자 탓이다. 고결정성 고분자는 고분자가 규칙적으로 배열돼 전하 이동도를 높이지만, 고온이 아닌 상온 공정에서는 효율 저하 문제를 일으킨다. 한국화학연구원 신원석·송창은 박사팀은 상온 25℃에서도 9.66%의 광전변환효율을 내는 유기태양전지를 개발했다. 유기태양전지의 광활성층에 자체 개발한 고결정성 고분자 신소재를 쓴 결과다. 연구진은 기존 고결정성 고분자인 PNTz4T*에 MTC** 기능기를 도입해 새로운 고결정성 고분자 PNTz4T-5MTC를 만들었다. 태양전지는 고체상태의 고분자를 녹인 후 기판 위에 코팅해 만드는데, 고결정성 고분자를 용해시키기 위해서는 고온을 가해야한다. 이번 연구에서는 MTC 기능기 도입으로 인해 고결정성 고분자의 규칙성이 부분적으로 깨져 용해도가 높아졌다. 그 결과, 저온인 25℃에서도 고결정성 고분자가 잘 용해됐고, 기존의 PNTz4T 고분자를 사용해 고온인 110℃에서 태양전지 소자를 제작한 결과와 비슷한 광전변환효율을 냈다. 다시 말해, 같은 상온 25℃에서 소자를 제작할 경우 새로 개발한 PNTz4T-5MTC 고분자를 도입한 유기태양전지의 광전변환효율(9.66%)이 기존 PNTz4T(4.81%)를 쓴 유기태양전지보다 2배 이상 높아진 것이다. 바코팅(Bar coating) 공정을 통해 대면적 모듈(10㎝×10㎝)로 제작한 유기태양전지의 광전변환효율도 최고 6.61%를 기록했다. 바코팅은 고분자 용액을 빠르고 균일하게 인쇄해 태양전지나 디스플레이 등을 제조하는 공정이다. 바코팅 공정의 성공은 롤투롤 공정에서도 태양전지를 대면적으로 생산할 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구를 주도한 한국화학연구원 신원석 박사는 “롤투롤 공정에 적합한 유기태양전지 광활성 소재의 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다”고 자평했다. 이번에 개발한 유기태양전지는 할로겐 용매를 사용하지 않는다. 보통 광활성층 고분자는 고체 상태의 고분자를 녹여서 용액으로 만들어 인쇄하는데, 이때 할로겐 용매가 쓰인다. 하지만 할로겐 용매는 인체에 유해한 물질이어서 그동안 문제점으로 지적됐다. 연구진은 광활성층 고분자를 용액으로 만드는 과정에서 비할로겐 용매를 이용하고서도 높은 용해도를 확보했다. 즉, 상온 25℃와 친환경 공정으로 유기태양전지를 만들 수 있게 된 것이다. 연구에서 소자 제작과 분석을 수행한 송창은 박사는 “이번 연구결과가 그 동안 유기태양전지 상업화의 걸림돌로 지적된 고온, 인체에 유해한 용매, 대면적 공정 문제를 해결하는데 중요한 기여를 할 것”이라고 말했다. 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업, 한국화학연구원 주요사업 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials(IF: 21.875)’온라인판에 지난 4월 16일자로에 게제됐다. ■용어설명 *PNTz4T: 디티오펜나프토싸이아디아졸과 디티오펜의 공중합 고분자. **MTC: 에스터 작용기가 도입된 티오펜.  seokjang@fnnews.com 조석장 기자