[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 에너지·환경재료연구본부 송명관, 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 섬유형 태양전지의 핵심 제조공정인 염료흡착시간을 기존 16시간에서 30분으로 약 97% 단축하는 기술 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.

'섬유형 태양전지'는 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 주목받고 있다.

그러나 기존에는 빛을 흡수하는 염료분자를 전극 표면에 붙이기 위해 장시간 염료 용액에 담가두어야 했고, 충분한 양을 흡착시키려면 약 16시간이 걸려 대량 생산의 걸림돌이 됐다.

공동 연구팀은 이러한 단점 해결을 위해 티타늄 기반 금속-유기 골격체(Ti-MOF) 소재와 전기화학 염료흡착 기술을 결합해 염료흡착시간을 획기적으로 단축하는 핵심 공정기술을 개발했고, 5V의 전압을 30분간 가하는 공정을 적용하여 염료흡착 시간을 기존 16시간 대비 약 97% 단축하면서도 7.06%의 광전변환효율을 확보했다.

이는 기존 16시간 공정의 Ti-MOF 적용 태양전지 효율 7.45% 대비 약 95% 수준으로, Ti-MOF 미적용 소자 5.54%보다도 높은 수치다.

또한 5000회 반복 굽힘 후에도 Ti-MOF 미적용 소자보다 높은 효율 유지율을 보였으며, 20회 세탁 후에도 초기 발전효율의 약 80%를 유지했다. 150도에서 60시간 동안 열에 노출된 후에도 정상적으로 작동했다.

특히 야외에서는 디지털 손목시계를, 907룩스(lx)의 실내 조명 아래에서는 디지털 손목시계와 액정소자를 작동시켜 실제 의류 형태에서도 주변의 빛만으로 전자기기에 전력을 공급할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 하나의 섬유형 소자에 전기 생산과 유해가스 감지 기능을 결합한 다기능 기술 구현도 성공했다.

Ti-MOF 기반 섬유 구조를 활용해 태양전지 기능뿐 아니라 메탄(CH4)가스를 감지하는 센서 기능까지 확보한 것으로, 상온에서 1000ppm 농도의 메탄가스에 반복적으로 노출했을 때 뚜렷한 감지 신호를 확인했다.

이번 연구 성과는 섬유형 태양전지의 핵심 제조공정 시간의 획기적 단축과 더불어 기존 수준에 근접한 발전효율을 동시에 확보하고, 하나의 섬유형 소자에 전기 생산·유해가스 감지 기능까지 함께 구현한 것으로, 향후 유해가스 노출 위험이 큰 산업현장의 스마트 보호복, 실시간 환경감시 시스템, 지능형 기능성 의류, 사물인터넷(IoT) 기반 안전관리 기술, 차세대 웨어러블 전자기기 개발 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

연구책임자인 KIMS 송명관 책임연구원은 "앞으로 연속 제조공정으로 기술을 확대해 스마트 의류와 웨어러블 전자기기용 전원의 생산성을 높이고, 다양한 MOF 소재의 유해가스 감지 특성을 체계적으로 분석해 자가발전형 센서의 실용화 가능성을 높여 나가겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIMS 기본사업과 글로벌선도연구센터 지원사업, 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 사업을 통해 수행됐으며, 연구 논문은 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 10월 6일 온라인 판에 게재됐다.


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