최근 카이스트 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 높은 전기적 성능과 신축성을 동시에 갖는 새로운 형태의 전도성 고분자 물질을 개발했다. 카이스트는 세계 최고 성능의 스트레처블 유기태양전지를 구현했다고 26일 밝혔다. 

웨어러블 전자소자의 시장 규모가 급격히 커지며 에너지 공급원으로서 잡아당겨 늘려도 작동할 수 있는 스트레쳐블 태양전지가 각광받고 있다. 이러한 태양전지를 구현하기 위해서는 빛을 전기로 전환하는 광활성층의 높은 전기적 성능과 기계적 신축성 확보가 필수적이다. 이 두 가지 특성은 서로 상충관계를 가지고 있어 스트레쳐블 태양전지의 구현은 매우 어려운 문제였다.

유기 태양전지는 빛을 받아 전기를 생산하는 광 활성층이 유기물로 구성되는 전자소자다. 기존 무기 재료 기반 태양전지에 비해 가볍고 유연하다는 장점이 있어 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 전자소자에 사용 가능하다. 특히 태양전지는 이러한 전자소자의 전력을 공급하는 필수적인 소자이지만, 기존 고효율 태양전지는 신축성을 가지기 어려워서 웨어러블 소자로 거의 구현된 바가 없다.

김 교수 연구팀은 높은 전기적 성질을 가지는 전도성 고분자에 고무처럼 늘어나는 고신축성 고분자를 화학 결합을 통해 연결했다. 이로써 높은 전기적 성능과 기계적 신축성을 동시에 가지는 새로운 형태의 전도성 고분자를 개발했다. 개발된 고분자는 현재 세계 최고 수준의 광전변환효율 (19%)을 가지는 유기태양전지를 구현하면서도, 기존 소자들에 비해 10배 이상 높은 신축성을 달성했다. 연구결과 40% 이상 잡아당겨도 작동하는 세계 최고 성능의 스트레처블 태양전지를 구현했으며, 이를 통해 사람이 착용가능한 태양전지의 응용 가능성을 증명했다.

김 교수는 "이번 연구를 통해 세계 최고 성능의 스트레쳐블 유기 태양전지를 개발했을 뿐만 아니라 새로운 개념의 고분자 소재 개발을 통해 자유형상과 신축성을 요구로 하는 다양한 전자소자에 응용 가능한 소재 원천 기술을 개발했다는 것에 큰 의의가 있다ˮ라고 말했다.

유기 태양전지는 웨어러블 전자소자의 핵심 전력 공급원으로서 주목받고 있다. 이번 연구를 통해 개발한 새로운 형태의 전도성 고분자는 전기적·기계적 성질 간 상충관계를 해결할 수 있는 매우 혁신적인 시도이다. 

특히 신규 소재가 적용된 스트레처블 유기 태양전지의 경우 세계 최고 수준의 성능 및 내구도를 보여, 다양한 웨어러블 전자기기에 대한 전력 공급원으로서 유기 태양전지의 실질적인 상용화 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

카이스트 이진우·이흥구 연구원이 공동 제1 저자로 참여하고, 기계공학과 김택수 교수·생명화학공학과 리섕 교수팀이 공동으로 진행한 이번 연구는 국제 학술지 『줄(Joule)』에 지난 1일 출판됐다. 

김재호 기자 kimyital@kyosu.net

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