부산대학교 전일 교수, KIST 이필립 박사 연구진이 한일공동연구를 통해 탄소나노튜브-폴리이미드로 구성된 투명전도성 필름을 개발하고 이를 적용한 접을 수 있는 태양전지를 제안했습니다. 접거나(foldable) 말 수 있는(rollable) 다양한 폼 팩터를 갖는 휴대용 스마트 디바이스의 에너지원으로 적용됨으로써, 사물인터넷 (IoT) 기술의 발전을 한 단계 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 'Advanced Science'에 게재됐습니다.
10,000회 반복접어도 성능 유지된다
페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율이 높고 유연화할 수 있어휴대용 전력원으로 주목받고 있습니다. 하지만 접거나 구부릴 수 있는 휴대용 디바이스의 전원으로 활용하려면 하부 투명전극의 유연성을 높여야 했습니다.
한편 탄소나노튜브는 유연성과 투명성을 동시에 지닌 좋은 전극 후보 물질이지만, 내부의 빈 공간들과 거친 표면 때문에 하부 전극으로 활용하는 데 어려움이 있었습니다.
- 페로브스카이트 태양전지
유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지입니다.
- 탄소나노튜브
육각형의 탄소원자 격자로 구성된 그래핀이 수 나노미터의 원통 형태로 말려있는 나노재료. 우수한 물리적 특성으로 활용성이 높습니다.
이에 연구팀은 그물 형태의 탄소나노튜브의 빈틈과 거친 표면을 폴리이미드로 보완한 투명전도체를 개발했습니다. 폴리이미드가 빈틈을 매우고 거친 표면을 매끄럽게 유도해 유연하고 투명한 탄소나노튜브의 장점을 살리되 단점은 보완했습니다. 참고로 폴리이미드는 이미드 고리를 가지는 고분자 재료인데요. 화학적 안정성, 유연성, 내열성, 내화학성을 지닙니다. 이에 전자 디바이스에 널리 활용됩니다.
실제 이를 적용해 제작한 접을 수 있는 폴더블 페로브스카이트 태양전지는 기존에 보고된 탄소나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 광전변환효율(15.2%)를 나타냈습니다. 접음 조건(0.5 mm 굽힘 반경)에서 10,000회 반복 사이클 후에도 성능이 처음과 동일하게 유지되는 높은 유연성을 보였습니다. 굽힘 반경은 필름을 구부릴 때 구부리는 지점에서 형성되는 곡률의 반경을 말합니다.
한편 전기전도도 향상을 위해 첨가한 몰리브데넘삼산화물(MoO3)은 산소가 차단된 고온 조건에서 그 효과가 극대화됩니다. 탄소 나노튜브를 감싸는 본 전도체 필름의 구조와 열 안정성 덕분에 추가적인 작업 없이 전극의 전기전도도 향상 효과가 극대화됐습니다.
탄소 나노튜브-폴리이미드 복합체 필름의 개발을 통해 탄소 나노튜브 위에 박막 디바이스에 구현하면서 따랐던 재현성 문제를 완화하고, 이를 기반으로 높은 유연성을 갖는 폴더블 태양전지를 구현했습니다. 투명 전도체 필름은 유연 태양전지 뿐만 아니라 다양한 종류의 포토디텍터, 박막 트랜지스터, 발광 다이오드를 비롯한 다양한 박막 전자소자에 적용돼 이들의 경량, 유연성 특성을 극대화하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
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