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쭉쭉 늘어나는 최고 성능의 태양전지 개발
웨어러블 전자소자의 시장 규모가 급격히 커지며 에너지 공급원으로서 잡아당겨 늘려도 작동할 수 있는 스트레쳐블 태양전지가 각광 받고 있다. 이러한 태양전지를 구현하기 위해서는 빛을 전기로 전환하는 광활성층의 높은 전기적 성능과 기계적 신축성 확보가 필수적인데, 이 두 가지 특성은 서로 상충관계를 가지고 있어서 스트레쳐블 태양전지의 구현은 매우 어려운 문제였다.
우리 대학 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 높은 전기적 성능과 신축성을 동시에 갖는 새로운 형태의 전도성 고분자 물질을 개발해 세계 최고 성능의 스트레처블 유기태양전지를 구현했다고 26일 밝혔다.
유기 태양전지(organic solar cells)는 빛을 받아 전기를 생산하는 광 활성층이 유기물로 구성되는 전자소자로, 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.
김범준 교수 연구팀은 높은 전기적 성질을 가지는 전도성 고분자에 고무처럼 늘어나는 고신축성 고분자를 화학 결합을 통해 연결하여, 높은 전기적 성능과 기계적 신축성을 동시에 가지는 새로운 형태의 전도성 고분자를 개발하였다. 개발된 고분자는 현재 세계 최고 수준의 광전변환효율 (19%)을 가지는 유기태양전지를 구현하면서도, 기존 소자들에 비해 10배 이상 높은 신축성을 달성하였다. 이를 통해 40% 이상 잡아당겨도 작동하는 세계 최고성능의 스트레처블 태양전지를 구현하였으며, 이를 통해 사람이 착용가능한 태양전지의 응용 가능성을 증명했다.
김범준 교수는 "이번 연구를 통해 세계 최고성능의 스트레쳐블 유기 태양전지를 개발했을 뿐만 아니라 새로운 개념의 고분자 소재 개발을 통해 자유형상 및 신축성을 요구로 하는 다양한 전자소자에 응용가능한 소재 원천 기술을 개발했다는 것에 큰 의의가 있다ˮ라고 밝혔다.
이진우, 이흥구 연구원이 공동 제1 저자로 참여하고, 기계공학과 김택수 교수, 생명화학공학과 리섕 교수팀이 공동으로 진행한 이번 연구는 국제 학술지 `줄(Joule)'에 12월 1일 출판됐다. (논문명: Rigid and Soft Block-Copolymerized Conjugated Polymers Enable High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells).
이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2023.12.26 조회수 8581 -
이달의 과학기술자상 6월 수상자 KAIST 김상욱 교수
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수가 탄소소재*의 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 원천기술을 개발해 이달의 과학기술자상 6월 수상자로 선정됐다.
* 탄소소재: 그래핀, 탄소나노튜브 등과 같이 탄소 원자로 이뤄진 재료
김 교수는 탄소 소재에 일반 반도체 공정에서 활용되는 도핑 기술*을 도입하여, 기존의 방법으로 구현하기 어려운 탄소 소재의 물성을 구현한 업적을 인정받았다. * 도핑 (doping): 일반적으로 실리콘 반도체 공정에서 사용되는 기술로, 실리콘 외 이종의 원소를 인
위적으로 삽입함으로써 실리콘 반도체의 성질의 조절할 수 있는 기술
탄소나노튜브, 그래핀 등과 같은 탄소 소재는 기존의 재료보다 월등한 기계적, 전기적 특성 등을 지니고 있어 차세대 신소재로서 많은 각광을 받고 있다.
하지만, 다양한 응용 소자에 적용하기에는 그 우수한 특성의 미세한 조절이 매우 어려워, 현실적인 소자 응용에 어려움이 있었다.
김 교수는 탄소소재에 질소(N), 붕소(B) 등의 이종원소를 도입하여, 탄소소재의 미세한 물성 조절을 가능케 하였으며, 이를 유기태양전지, 유기발광소자, 플렉서블 메모리 등과 같은 다양한 응용소자에 적용함으로써, 그 성능을 극대화 하였다.
또한, 자기조립* 방법으로 탄소 소재의 구조를 자유롭게 변하게 하여, 그 응용 가능성을 높였다.* 자기조립: 구성물간의 미세한 힘으로 인해 자발적으로 구성물이 특정 구조를 이루게 하는 방법
김 교수의 지난 3년간 「어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)」, 「나노레터스(Nanoletters)」 등 정상급 국제저널에 53편의 논문(평균 impact factor: 8.987)을 발표하였을 뿐 아니라, 탄소 소재 분야 연구의 전문성과 우수성을 인정받아, 각 분야의 세계적인 석학들과 나란히, 소재 분야의 최고 권위 학술지인 「어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)」의 25주년 기념 특별 리뷰 논문에 초청되었다.
이달의 과학기술자상은 산‧학‧연에 종사하는 연구개발 인력 중 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 사람을 발굴·포상하여 과학기술자의 사기진작 및 대국민 과학기술 마인드를 확산하고자 1997년 6월부터 시상해오고 있으며, 매월 1명씩 선정하여 미래창조과학부 장관상과 상금을 수여하고 있다.
2014.06.16 조회수 18497 -
나노튜브를 이용한 유기태양전지 효율 향상 기술 개발
우리학교 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했다.
이 연구결과는 재료공학의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최신호(11월 30일, 화) 온라인 판에 게재됐다.
반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하는 유기태양전지는 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴하다. 또한, 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원이다.
이 전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.
유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮아 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송특성을 향상하려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔다. 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구되어 왔다.
그러나 이들 연구에서는 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했다.
이러한 문제를 포함해 유기태양전지들은 상용화하기에는 아직 낮은 광변환 효율을 보여 이에 대한 성능향상이 시급히 요구되어 왔다.
KAIST 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%까지 크게 향상시키는데 성공했다.
또한 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했다.
이 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “이번 연구결과를 통해 나노소재 기술이 유기태양전지의 성능향상에도 크게 기여할 수 있음을 알아냈다”며 “앞으로 나노소재 기술을 이용한 차세
대 에너지개발을 위한 연구에 노력하겠다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)연구사업의 지원을 받아 김상욱, 유승협 교수의 지도하에 박사과정 이주민 학생이 진행했다.
2010.12.07 조회수 26142