친환경 유기 태양전지 "물로 만든다"
친환경 유기 태양전지 "물로 만든다"
  • 함예솔
  • 승인 2018.12.26 13:45
  • 조회수 1661
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유기 전자소자를 유독한 유기 용매공정 없이 친환경적으로 제작할 수 있는 길이 열렸습니다. 한국과학기술원 김범준 교수와 고려대학교 우한영 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 물 기반 친환경 공정기술로 만들 수 있는 고성능 유기 태양전지 및 유기 트랜지스터를 개발했다고 합니다. 

 

물로 만든 유기 태양전지~ 출처: fotolia
물로 만든 유기 태양전지~ 출처: fotolia

유기 태양전지, 유기 트랜지스터와 같은 유기 전자소자는 유연하고 가볍습니다. 값싼 인쇄공정 등의 장점을 지니고 있습니다. 그러나 소재의 소수성으로 인해 주로 클로로포름, 톨루엔 등의 유해한 유기 용매를 사용해야 제작할 수 있습니다. 그 유독성으로 인해 실제 상업화 공정에 적용될 수 없었습니다. 현재까지 개발된 고성능 전도성 유기 소재들은 물과 같은 친환경 용매에는 전혀 녹지 않으므로 용액 공정이 불가능했습니다. 최근 연구된 친수성의 고성능 전도성 소재들도 용해도가 매우낮아 공정이 어렵거나 용해되더라도 소자 성능이 현저히 낮은 한계가 있었습니다. 

 

물-에탄올 혼합액에서 개발된 고분자 소재의 용해도 향상. 출처: 한국연구재단
물-에탄올 혼합액에서 개발된 고분자 소재의 용해도 향상. 출처: 한국연구재단

연구팀은 물과 에탄올로 구성된 혼합용액에 잘 녹는 친수성 고성능 전도성 유기 소재를 개발했습니다. 연구팀은 물에 에탄올이 25% 이상 첨가된 공용매를 활용하면 올리고에틸렌 글리콜(oligoethylene glycol, OEG) 곁사슬을 포함하는 친수성 전도성 고분자의 용해도를 월등히 향상시킬 수 있다는 것을 최초로 발견했습니다.

 

연구팀은 이 소재가 순수한 물이나 순수한 에탄올에서 거의 녹지 않지만, 시중에 파는 술(럼주)와 같은 물-에탄올 혼합 용매에서 용해도가 130배나 향상되는 점에 착안했습니다. 이를 기반으로 수용액 공정에서 유기 태양전지와 유기 트랜지스터를 개발했을 때 높은 광전변환 효율과 전하 이동도를 지니고 있었고, 뿐만 아니라 우수한 대기 안정성도 확인됐습니다.

 

향상된 물-에탄올 공정성 덕분에 전 세계 최초로 2%가 넘는 광전변환 효율을 지니는 친환경 유기 태양전지를 제작할 수 있었습니다. 특히 이 연구에서는 전 공정에 걸쳐 유독한 유기 용매를 전혀 사용하지 않았습니다. 박막 공정에서 반드시 필요한 유해물질 차단 장비(글로브 박스)가 불필요 하고, 작업자 친화적으로 소자 제작이 가능해졌다는 점이 주목할 만 합니다. 

 

국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스 표지논문 이미지 선정. 출처: 한국연구재단
국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스 표지논문 이미지 선정. 출처: 한국연구재단

김범준 교수는 "이 연구는 지속 가능한 인체ㆍ환경 친화적인 공정 기술의 개발이라는 측면에서 매우 중요한 일"이라며 "앞으로 유기전자소자 제작의 패러다임을 바꾸고 기술의 실제 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다"고 연구 의의를 설명했습니다. 이 연구는 재료분야 국제학술지 <어드밴스드 에너지 머티리얼스>에 게재됐습니다. 

 


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