이형우 부산대 나노에너지공학과 교수팀이 전량 건식기반 공정으로 '코어-시스 구조 탄소나노튜브 섬유 전극(CSCNY)'을 개발하고, 이를 섬유형 염료감응 태양전지(FDSSC)에 적용해 우수한 성능 구현에 성공했다.
FDSSC는 유연한 섬유 구조 위에 염료로 광흡수층과 전극을 형성해 빛을 전기로 변환하는 차세대 태양전지다. 섬유 직접 공정과 유연성 등 장점이 많지만 고성능을 위해 고가의 백금(Pt) 기반 전극을 사용해야 한다는 점에서 한계가 있었다.
이 교수팀은 탄소나노튜브(CNT)를 수직 배열로 합성한 후, 이를 건식 방사(Dry-spinning)해 섬유 형태의 단일 CNT 섬유를 제작하고, 여기에 다가닥 꼬임(Multi-ply)과 CNT 필름 코팅을 더해 CSCNY를 개발했다.
이 CSCNY는 내부 응력이 적고 구조적으로 일관성을 지녀, 기존 CNT 섬유 전극과 달리 뒤틀림·풀림 현상을 효과적으로 억제할 수 있고, 전기적 성능과 기계적 내구성도 높은 것으로 나타났다.
시험 결과, CSCNY 적용 FDSSC는 기존 백금 기반 FDSSC에 비해 개방전압(VOC)과 충진률(FF)이 모두 향상돼 최대 6.25% 광전변환효율(PCE)을 기록했다. 이는 백금 기반 FDSSC 대비 43% 이상 높은 수치다.
CSCNY 적용 FDSSC는 직물에 쉽게 적용할 수 있는 구조적 특성과 유연성을 동시에 지녀 실제 섬유 구조물에 장착해 상용 전자기기 전원으로 사용할 수 있다.
450회 이상의 굽힘 시험에도 초기 효율의 80% 이상을 유지했고, 200시간 이상의 장기 구동 테스트에서도 안정적 출력을 유지했다.
이형우 교수는 “전량 건식 공정만으로 고성능, 고유연성, 고내구성의 CNT 전극을 구현했다”며 “플렉서블 전자소자, 스마트 의류, 센서 통합형 전력 공급 모듈 등 다양한 분야로 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 오진우 부산대 교수, 송명관 한국재료연구원 연구원이 참여했고, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구, 글로벌선도연구센터 사업 지원을 받았다.
부산=임동식 기자 dslim@etnews.com
