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[김혁 서울시립대 교수]옷에 탈부착 가능한 태양전지 핵심기술 개발
[김혁 서울시립대 교수]옷에 탈부착 가능한 태양전지 핵심기술 개발
  • 장성환
  • 승인 2020.05.26 17:32
  • 댓글 0
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이산화티타늄에 알루미늄 첨가해 전기적 특성 조절
1회 공정만으로 다양한 태양전지의 전자추출층 제조
앞으로 24시간 작동되는 태양전지 구현 위해 노력
김혁 서울시립대 교수

옷에 부착해 태양광만으로 휴대폰 배터리 등을 충전할 수 있는 기술이 개발됐다. 

서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수, 경상대학교 반도체공학과 김준영 교수, 서울대학교 반도체공동연구소 이승현 박사가 이끄는 공동연구팀은 중·소형 전자기기를 쉽게 충전할 수 있는 친환경 태양전지 핵심기술을 만들어 냈다.

공동연구팀에서 개발한 태양전지 소자는 알루미늄이 도핑된 이산화티타늄(TiO2)을 유기 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지의 전자추출층으로 적용시킨 새로운 구조다. 이는 스마트폰, 헤드폰, 소형 블루투스 기기 및 웨어러블 스마트 기기의 전원으로 충전해 활용할 수 있는 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있다. 특히 유기 태양전지는 구부리고 휠 수 있으며 옷에 탈부착까지 가능해 입고 다니면서 필요할 때마다 휴대폰 충전이 가능한 태양전지로 각광받고 있다. 

이번에 개발된 기술은 표면·계면 기술 분야의 권위적인 학술지인 ‘WILEY 출판사’의 ‘Advanced Materials Interfaces’에 지난 20일 자로 출판 및 게재됐을 뿐만 아니라 저널 표지(Back Cover Image)로 선정되기도 했다.

현재 신재생에너지 생산원으로 주목받고 있는 태양전지는 대부분 불투명하고 딱딱하므로 전기를 생산하기 위해서는 특정 위치에 고정해 사용해야 했다. 따라서 이동을 하면서 접고 다니거나 옷이나 가방 등에 부착 가능하도록 유연한 형태의 플렉시블 태양전지 개발은 어려운 상황이었다. 

특히 유기반도체의 낮은 LUMO(전자주입 장벽의 기준값, Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 값으로 인해 공기 중에서 안정적인 n형 반도체를 만드는데 어려움을 겪어왔다. LUMO 값이 낮을수록 공기 중에서 불안정하기 때문이다. 이로 인해 n형 반도체인 전자추출층을 개발하는 데는 여러 한계가 있었다. 

반면 이산화티타늄 n형 무기반도체는 시중에서 판매하는 선크림에도 사용되는 재료로서 가격이 매우 저렴하고 피부에 닿아도 안전해 태양전지의 전자추출층으로 주목받아 왔다. 그러나 유기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 양쪽 모두에 적용 가능한 기술이 없어 여태까지는 각 태양전지에 맞는 전자추출층을 일일이 설계하고 제조해야 했다. 이로 인해 공정이 복잡해짐에 따라 공정 가격도 비싸져 결과적으로는 플렉시블 태양전지의 제조단가를 높이는 결과를 가져와 상용화에 어려움을 겪었다. 

이에 공동연구팀은 알루미늄을 첨가해 이산화티타늄의 이동도, 전도도 등의 전기적 특성을 자유자재로 조절하는 기술을 개발하고, 이를 태양전지의 전자추출층으로 적용함으로써 단 1회의 공정만으로도 다양한 종류의 플렉시블 태양전지의 전자추출층을 제조할 수 있는 기술을 개발하게 됐다.

공동연구팀의 김혁 서울시립대 교수는 과거 프랑스에서 반도체 디바이스 연구를 했었다. 이후 삼성전자종합기술원에서 근무하며 OLED 관련 연구를 하다 다시 학계로 돌아오면서 태양전지 분야에 관심을 가지게 됐다. OLED 분야는 우리나라 기업에서 기술·개발이 잘 이뤄지고 있으나 태양전지 분야는 그렇지 못하다고 생각했기 때문이다.

김 교수는 “단순 이론 연구에만 머무르는 게 아니라 실현 가능한 실용적인 연구로 우리 사회에 기여하고 싶은 마음이 크다”며 “앞으로 24시간 작동되는 태양전지를 구현하고, IoT(사물인터넷)를 운용하는 데 필수적인 센서 시스템을 태양전지만으로도 사용할 수 있도록 하는 게 목표”라고 밝혔다. 이어 “오는 2030년까지 이 부분에 대한 특허를 획득해 한국 기업들이 세계에서 미래 산업을 주도할 수 있도록 돕고 싶다”고 전했다.

장성환 기자 gijahwan90@kyosu.net


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