한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 송명관 박사, 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 공동으로 섬유형 태양전지의 핵심 제조공정인 염료흡착시간을 기존 16시간에서 단 30분으로 약 97% 단축하는 기술을 개발했다.
섬유형 태양전지는 실처럼 가늘고 유연해 옷감에 넣거나 직조할 수 있는 차세대 에너지 소자다. 특히 염료가 빛을 흡수해 전기를 생산하는 '염료감응 태양전지'는 가볍고 유연해 스마트 의류와 웨어러블 전자기기의 전원으로 주목받는다.
다만 기존에는 빛을 흡수하는 염료분자를 전극 표면에 붙이기 위해 장시간 염료 용액에 담가둬야 했다. 염료가 자연스럽게 이동해 전극에 달라붙도록 충분한 양을 흡착시키려면 약 16시간이 소요돼 대량생산을 어렵게 하는 주요 요인이었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 티타늄 기반 금속-유기 골격체(Ti-MOF)와 전기화학 염료흡착 기술을 결합해 염료흡착 시간을 획기적으로 단축하는 핵심 공정기술을 개발했다.
미세한 기공과 넓은 표면적을 가진 Ti-MOF를 이산화티타늄(TiO2) 섬유형 광전극에 적용해 염료분자가 흡착할 수 있는 공간을 늘렸다. 여기에 전기장을 가해 염료분자가 광전극으로 이동하고 흡착하는 과정을 촉진해 짧은 시간에도 충분한 양의 염료를 흡착시키도록 했다.
그 결과 5V 전압을 30분간 가하는 공정을 적용해 염료흡착 시간을 기존 16시간 대비 약 97% 단축하면서도 7.06%의 광전변환효율을 확보했다. 뿐만 아니라 5000회 반복 굽힘 후에도 Ti-MOF 미적용 소자보다 높은 효율 유지율을 보였으며 20회 세탁 후에도 초기 발전효율의 약 80%를 유지했다. 150℃에서 60시간 동안 열에 노출된 후에도 정상적으로 작동했다.
연구팀은 나아가 하나의 섬유형 소자에 전기 생산과 유해가스 감지 기능을 결합한 다기능 기술도 구현했다. Ti-MOF 기반 섬유 구조를 활용해 태양전지 기능뿐 아니라 메탄(CH4)가스를 감지하는 센서 기능까지 확보했다. 상온에서 1000ppm 농도 메탄가스에 반복적으로 노출했을 때 뚜렷한 감지 신호를 확인해 에너지 생산을 넘어 환경 감지 기능까지 수행할 수 있음을 입증했다.
송명관 책임연구원은 “섬유형 태양전지의 염료흡착 시간을 기존 16시간에서 30분으로 획기적으로 단축한 것과 함께 기존에 근접한 발전 성능까지 확보한 것을 주목할 필요가 있다”면서 “향후 연속 제조공정으로 기술을 확대해 스마트 의류와 웨어러블 전자기기용 전원의 생산성을 높이고 다양한 MOF 소재의 유해가스 감지 특성을 체계적으로 분석해 자가발전형 센서의 실용화 가능성을 높여 나갈 계획”이라고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
