Press release

2020. 04. 19 (일) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

그래핀 전극 기반 '유연 유기 태양전지' 15.2% 효율(현재 최고) 달성!

UNIST 박혜성·양창덕 교수팀, 폴리이미드·그래핀 일체형 유연 투명 전극 개발
투과성・내구성 높아 고성능 웨어러블 전자기기 적용에 가능… 줄(Joule) 게재

꿈의 신소재로 불리는 ‘그래핀’을 이용한 유연하고 투명한 전극이 개발됐다. 이 전극을 유기 태양전지에 적용하자, 같은 종류의 태양전지 중 최고 효율을 기록했다. 새로운 전극은 태양전지뿐 아니라 디스플레이나 광센서 등에도 쓸 수 있어 활용도가 높을 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·양창덕 교수팀은 그래핀 기반 고성능 투명 유연 전극을 개발했다. 그래핀이 가진 우수한 전기 전도성과 내구성을 해치지 않도록 새로운 제조기법을 고안해, 기존 그래핀 전극의 단점을 보완했다.

그래핀 전극은 ‘유기 태양전지’의 상용화를 앞당길 구성요소로 주목받는다. 태양전지는 태양광을 받아 전자를 만들어내는 ‘광활성층’과 전자의 통로 역할을 하는 ‘전극’, 전체 전지 구조를 유지하는 ‘기판’ 등 여러 층으로 이뤄진다. 유기 태양전지는 광활성층으로 가볍고 유연한 유기물을 사용하므로 차세대 태양전지로 각광 받고 있다. 하지만 기존의 딱딱한 전극을 사용하면 유연하고 가벼운 태양전지를 구현하기 어려워진다.

‘그래핀 전극’은 가볍고 유연한 데다 전기 전도성이 뛰어나고 내구성도 좋아 유기 태양전지의 특성을 살릴 수 있는 소재로 손꼽혀왔다. 그러나 그래핀이 원자 한 층 수준으로 얇아서 전극 기판으로 옮길 때 지지층이 필요했다. 보통 지지층으로 전기가 안 통하는 고분자 물질을 쓰는데, 이들이 완전히 제거되지 않아 전기 전도성을 떨어트리는 문제가 있었다. 또 기판 위에 그래핀을 고정하는 힘이 부족해 굽히거나 외부 힘을 반복적으로 가하면 떨어지기도 했다.

[연구그림] 폴리이미드 그래핀 일체형 투명 전극 제작 공정 모식도

공동연구팀은 그래핀을 옮기는 지지층을 기판으로도 사용하는 새로운 제조법으로 기판 일체형 그래핀 전극을 개발했다. 이 전극을 유기 태양전지에 적용한 결과, 15.2%의 광전변환효율(태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율)을 기록했는데, 이는 이제껏 개발된 유연한 유기 태양전지 중 가장 높다. 이 태양전지는 또 5,000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 보였다.

[연구그림]개발된 그래핀 전극의 내구성(유연성)과 투명도

제1저자인 구동환 에너지 및 화학공학과 박사과정 연구원은 “투명한 폴리이미드(PI)소재를 지지체 및 기판으로 사용해 잔여물도 없고 투명한 그래핀 전극을 얻었다”며 “그래핀 전극 위에 폴리이미드 기판을 직접 형성해 기판과 전극 사이의 접착력이 향상돼 내구성도 좋다”고 설명했다.

이번에 개발한 기판 일체형 그래핀 전극의 경우 고온 공정이 필요한 다른 전기 소자에도 적용할 수 있다. 기존 그래핀 전극의 기판으로 이용되는 물질은 고온에서 변형됐으나, 폴리이미드 소재는 400℃ 이상의 고온도 견딜 수 있어 변형이 나타나지 않기 때문이다.

박혜성 교수는 “이번에 개발한 ‘고성능 그래핀 전극’은 유기 태양전지의 효율과 내구성 등을 크게 높였다”며 “향후 태양전지뿐 아니라 고성능 LED, 광센서 등 다양한 차세대 유연 광전소자 개발에도 크게 도움이 될 것이라고 기대했다.

이번 연구는 저명한 국제학술지 (Joule)’ 46일자로 온라인에 미리 공개됐으며, 추후 출판될 예정이다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 미래창조과학부, 한국연구재단, 한국동서발전의 지원을 통해 이뤄졌다.

논문명: Flexible Organic Solar Cells Over 15% Efficiency with Polyimide-Integrated Graphene Electrodes

자료문의

대외협력팀: 장준용팀장, 양윤정 담당 (052) 217-1228

에너지 및 화학공학부: 박혜성 교수 (052) 217-2563

  • [연구그림]개발된 그래핀 전극의 내구성(유연성)과 투명도
  • [연구그림] 폴리이미드 그래핀 일체형 투명 전극 제작 공정 모식도
  • [연구그림] 폴리이미드 그래핀 일체형 투명 전극 기반 유기 태양전지 성능
 

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유기 태양전지(organic solar cells, OSCs)1)는 가볍고(경량성), 잘 구부러지고(기계적 유연성), 높은 효율을 낼 수 있어(고효율 가능성) 차세대 전자소자의 전원 공급 장치로의 잠재력을 가진다. 하지만 유연하면서도 광전변환효율2)이 높은 태양전지를 만들기 위해서는 투명 전극기판의 투과도(높을수록 좋음)’, ‘내구성등을 해결하기 위한 지속적인 연구가 필요한 상황이다.

유기 태양전지 연구에 주로 사용되는 투명 전극인 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)은 전기적, 광학적 특성이 뛰어나지만 기계적 특성이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 그래핀(graphene)3), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 등의 탄소 물질과 금속 나노와이어(metal nanowire), 전도성 고분자(conducting polymer) 등을 대체 전극 물질로 연구하고 있다. 특히 그래핀은 2004년 발견 이후 다양한 분야에 응용되고 있으며, 유기 태양전지 전극으로 응용하는 연구 역시 꾸준히 이루어지고 있다.

그래핀을 전극으로 만들려면 화학기상증착법(CVD)4)으로 합성한 그래핀을 PMMA (poly(methyl methacrylate)와 같은 절연성 물질들을 지지층으로 사용해 대상 기판에 전사5)하는 과정이 필요하다. 전사 후에는 그래핀 표면에 있는 PMMA를 제거하는데, 그래도 잔류하는 PMMA가 있어 그래핀의 전기적 특성을 감소시키는 문제가 있다. 또 전사 과정에서 발생한 전극과 기판 사이 불순물, 공기 방울(air pocket) 등 때문에 지속적으로 기계적 힘이 가해지는 경우 전극이 기판에서 박리되는 현상이 일어나 그래핀의 기계적 내구성이 충분히 발현되지 못하는 단점이 있다.

일반적으로 사용되는 유연 기판으로는 페트(polyethylene terephthalate, PET)나 펜(polyethylene naphthalate, PEN)이 있다. 이들은 광 투과도가 낮아서 광 흡수가 적어서 태양전지 제작 시 광전변환효율(power conversion efficiency) 이 낮아진다. 또 낮은 유리전이온도(glass transition temperature)6) 로 인해 열처리에 한계가 있었다.

 

2. 연구내용

본 연구진은 그래핀 전극 상에 고투과성고유연성고내열성 고분자인 폴리이미드(polyimide, PI)’를 직접 형성해 그래핀 전극의 전기적 특성, 기계적 내구성 및 열처리 온도의 한계를 해결했다. PMMA 대신 쓰인 폴리이미드는 그래핀 전사과정에서 지지층과 기판으로 동시에 활용된다. 이 덕분에 잔여물이 없는 그래핀 표면을 형성할 수 있어 전극의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있다.

우수한 광 투과도를 갖는 폴리이미드에 의해 태양전지의 광활성층에 도달하고 흡수되는 빛의 양을 높여, 15.2%의 광전변환효율을 갖는 유연 유기 태양전지를 제작하였다. 그래핀 표면에 폴리이미드를 직접 형성함에 따라 불순물, 공기 방울 등의 발생을 최소화해 전극과 기판 사이의 접착력을 증대시킴으로써 전극의 기계적 내구성을 향상했으며, 이를 태양전지에 적용한 결과 5,000회 굽힘을 반복하는 시험 후에도 초기 효율의 98% 이상이 유지되는 것을 확인했다.

이렇게 개발된 투명 전극은 폴리이미드의 고내열성을 바탕으로 400이상의 고온에서도 기판의 열팽창에 의한 그래핀 전극의 손상이 방지됐다. 전기적 특성을 유지하는 우수한 내열성도 확인된 것이다.

 

3. 기대효과

그래핀 전극 상에 폴리이미드를 기판으로 직접 형성하는 방법을 통해 우수한 광 투과도, 전기전도도, 내열성 및 기계적 유연성, 내구성을 보유하고 있는 그래핀 기반 유연 투명 전극을 제작할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 태양전지뿐 아니라 LED, 광 센서 등의 다양한 차세대 유연 광전소자에 적용 시에도 우수한 성능과 높은 수준의 기계적 내구성이 확보된 광전소자 제작이 가능할 것으로 기대된다.

 

[붙임]  용어설명

1. 유기 태양전지(Organic Solar Cells, OSCs)

태양전지의 태양광을 받아 자유전자를 생산하는 광활성층과 전하(전자) 수송층(charge transport layer) 등 각 태양전지 층에 유기 기반 물질을 사용한 전지다. 기판/전극/전하 수송층/광활성층/전극을 기본 구조로 제작한다. 태양전지는 크게 유기 태양전지와 무기 태양전지로 나눌 수 있는데, 무기 태양전지는 우리가 흔히 접하는 실리콘 같은 반도체 소재를 기반으로 제작된다.

2. 광전변환효율

광전변환효율은 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기 에너지의 비율로 빛을 전기로 전환하는 비율을 의미한다.

3. 그래핀(Graphene)

탄소 원자가 육각형 구조를 이루는 원자 두께의 한 층의 물질. 우수한 광학적, 전기적, 물리적 특성을 갖고 있다.

4. 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)

그래핀을 합성하는 대표적인 방법 중 하나로 구리나 니켈 등의 전이금속에 수소, 메탄 가스 등을 흘려주며 열에너지를 가해 반응시킨 후 냉각시키는 일련의 과정을 통해서 금속 표면에 그래핀이 형성된다. 대면적 합성이 용이한 장점이 있다.

5. 전사(Transferring)

화학기상증착법을 등을 통해 합성된 얇은 박막을 대상 물질에 이동하는 특수한 기법이다.

6.유리전이온도(Glass Transition Temperature)

고분자 물질을 가열한 경우에 유리상의 딱딱한 상태에서 고무상으로 바뀌는 현상이 나타나는데 이러한 현상을 유리전이(Glass Transition)라 하며, 유리전이 현상이 발생하는 온도를 유리전이온도라고 한다.

 

[붙임] 그림설명

 

그림1. 개발된 그래핀 전극의 내구성(유연성)과 투명도 (A) 개발된 전극을 적용한 유연유기태양전지 (B) 1000회의 굽힘에도 고른 전극 표면 유지 (C) 전극의 투명도

 

 

그림2. 폴리이미드/그래핀 일체형 투명 전극 제작 공정 모식도

 

그림3. 폴리이미드/그래핀 일체형 투명 전극 기반 유기 태양전지 성능: 폴리이미드/그래핀 일체형 전극 기반 소자가 ITO 및 PET/그래핀 전극 기반 유연 소자 대비 우수한 효율(빨간선)을 보이며(좌), 우수한 광 투과도에 의해 광 흡수량이 증가한 것을 보여준다(중). 또한 5㎜의 곡률 반경 아래에서 5,000회 굽힘 시험을 반복한 뒤에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 확인할 수 있다(우).