[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 전극’과 ‘기판의 투과도(높을수록 좋음)’, ‘내구성’ 등을 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 고투과성・고유연성・고내열성 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.

또 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 400℃ 이상의 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).