한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 이필립 박사, 조만식 박사, 한양대학교 고민재 교수 공동 연구팀은 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린팅 기술과 종이접기 기술을 융합해 신축성 높은 페로브스카이트 태양전지 모듈을 개발했습니다. 연구팀의 태양전지 모듈은 집적도 및 신축도에 대한 자유로운 제어가 가능하다고 하는데요. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다.
- 페로브스카이트?
빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질을 말합니다.
종이접기 기술과 3D 프린터 합쳤다
3D 프린팅 기술은 공간배치에 따라 성능이 극대화될 수 있는 태양전지와 같은 에너지 소자 분야에 활용할 때 잠재력이 클 것으로 기대되는데요. 안타깝게도 3D 프린팅 기술을 활용한 에너지 소자 모듈에 관한 연구는 아직까지 많지 않은 실정입니다.
기존에 과학자들은 신축성 소자 제작을 위해서는 주로 섬-다리(island-bridge) 구조를 활용했습니다. 하지만 이 구조에서는 신축성을 높이면 에너지 소자의 집적도가 저하됩니다. 반대로 집적도를 높이게 되면 신축성이 저하되는 문제가 있었죠.
그런데 드디어 연구진이 해결책을 찾아냈습니다. 연구진은 3D 프린터 공정과 오리미(Origami), 키리가미(Kirigami)의 종이접기 기술을 활용해 신축성을 가지는 태양전지 연결부를 3차원상에 효율적으로 배치하는데 성공했습니다.
- 오리가미(Origami)
한 장의 종이를 접어 개서 다양한 형태의 모양을 만드는 종이접기를 말합니다.
- 키리가미(Kirigami)
접은 종이를 절단해 여러 가지 모양을 만드는 예술을 말합니다.
오리가미 기술은 종이접기에 활용되는 다양한 접근법을 소자에 적용해 소자의 공간 활용도를 높이는 기술입니다. 오리가미 기술을 활용해 펼쳐지는 소자를 만들면 소자의 소형화 및 휴대화가 용이합니다. 또한 아코디언 구조와 같은 오리가미 구조체를 활용할 경우 소자에 신축성을 부가할 수 있죠.
키리가미 기술은 종이를 칼로 절단해 다양한 형상을 제어하는 기술입니다. 특히 뻣뻣한 소재에 신축성을 부과할 수 있는데요. 덕분에 최근 다양한 유연 소자에 응용이 되고 있습니다. 최근에는 탄소나노튜브 네트워크, 그래핀 등에 반도체 공정을 활용해 키리가미 기술을 적용해 인장성을 부여한 다양한 연구가 발표됐습니다.
(b) 제작된 고 신축성 페로브스카이트 태양전지 모듈 (좌) 및 반복 인장 특성 (우). 출처: KIST
신축성 높인 페로브스카이트, 100%에 가까운 집적도 달성
연구팀이 만든 페로브스카이트 태양전지 모듈은 100%에 가까운 태양전지 집적도를 달성했습니다. 덕분에 태양전지 소자로 기판을 가득 채울 수 있었죠. 또한 연구팀은 제작한 페로브스카이트 태양전지 모듈을 5배로 늘이는 실험을 했는데요. 모듈을 5배 늘이는 1,000번의 반복적인 인장 시험에서도 초기의 성능을 유지했다고 합니다.
기존의 신축성 소자는 반도체 공정 혹은 2차원 기반 인쇄공정으로 제작되는데요. 연구팀의 모듈은 기존 신축성 소자와 비교해 월등한 집적도 및 시스템 신축성을 동시에 달성했습니다. 공동 연구팀이 도입한 접근법을 활용하게 되면 3차원 배치에 따라 집적도 및 신축도를 한계 없이 얼마든지 늘릴 수 있습니다.
해당 고 신축성·전도성 플랫폼 기술은 태양전지 외에도 에너지 소자, 센서, 액츄에이터 등 다양한 전자 소자에 적용이 용이합니다. 또한 3차원 설계에 따른 다양한 소자의 성능 향상을 기대할 수 있죠. 또한, 의류, 패션 분야 적용에 강점을 갖는 3D 프린팅 기술을 복합적으로 활용하게 될 경우 웨어러블 소자와 같은 생활 밀착형, 고부가 가치 사업 분야로도 확장할 수 있습니다.
KIST 이필립 박사는 "이번 성과는 3D 프린팅 기술과 에너지 소자와의 융합을 통해 기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하는 접근법을 제시한 것"이라며 "앞으로 태양전지 유연화 및 경량화, 3차원 설계기술 제어, 그리고 형상기억 고분자 기술과의 융합을 통해 시너지 효과를 낼 수 있을 것"이라고 밝혔습니다.
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