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'신축성 60배·내구성 470배 향상' 플랙서블 2차전지 개발

  • 입력 2015.10.12 12:00 | 수정 2015.10.12 11:42
  • 윤병효 기자 (ybh4016@ebn.co.kr)

한국과학기술원 김범준·김택수 교수팀 협동, 다양한 분야 적용 가능

한국과학기술원 김범준 교수(왼쪽)와 김택수 교수. ⓒ미래창조과학부한국과학기술원 김범준 교수(왼쪽)와 김택수 교수. ⓒ미래창조과학부

기존 플랙서블(휘어지는) 2차전지보다 신축성은 60배, 내구성은 470배 향상된 2차전지가 개발됐다. 현재보다 더욱 다양한 분야에 적용될 것으로 예상된다.

미래창조과학부는 국내 연구진이 기존 유기태양전지에 사용되는 풀러렌을 고분자로 대체해 기존보다 신축성은 60배 이상, 내구성은 470배 이상 향상시킨 플랙서블 2차전지를 개발했다고 12일 밝혔다.

풀러렌은 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이뤄진 축구공 모양의 저분자이고, 고분라는 플라스틱, 고무 등 분자량이 매우 큰 화합물을 말한다.

차세대 플렉서블·웨어러블(착용가능) 전자기기의 구동 에너지원은 반드시 유연하며 휴대가 가능해야 한다.

유기태양전지는 가볍고 유연한 유기물 박막을 기반으로 하기 때문에 기존 무기태양전지에 비해 유연하고 가벼우며, 우수한 빛 흡수력과 낮은 공정단가 등 많은 장점을 가지고 있어 주목을 받고 있다.

하지만, 기존 유기태양전지는 효율은 높지만 그 안에 포함된 풀러렌의 잘 깨지는 성질(취성) 때문에 플렉서블 소자에 사용하기에는 내구성 부족으로 상용화가 어려웠다.

풀러렌을 대신하는 전도성 고분자 도입을 통한 유기태양전지의 효율 및 기계적 안정성 향상 개략도. ⓒ미래창조과학부풀러렌을 대신하는 전도성 고분자 도입을 통한 유기태양전지의 효율 및 기계적 안정성 향상 개략도. ⓒ미래창조과학부

이에 반해 유기태양전지에 풀러렌 대신 고분자를 사용하면 고분자의 유연함과 고분자 사슬 사이의 얽힘 효과에 의해 높은 효율을 유지하면서도 내구성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 예상돼 왔다.

글로벌프런티어 멀티스케일에너지시스템연구단의 김범준 교수팀과 김택수 교수팀은 풀러렌 대신 N형 전도성 고분자라는 물질을 사용해 기존 풀러렌 기반 유기태양전지보다 훨씬 뛰어난 내구성을 가지면서도 동시에 높은 효율로 전력을 생산할 수 있음을 최초로 규명했다.

N형 전도성 고분자를 사용한 유기태양전지는 풀러렌을 사용한 유기태양전지보다 60배 이상 향상된 신축성과 470배 이상 향상된 내구성을 보였으며, 효율 또한 6.64%로 상용화에 근접한 수치를 보였다.

이 과정에서 김범준 교수팀은 새로운 고효율 고분자 태양전지 시스템 개발을, 김택수 교수팀은 개발된 고분자 태양전지의 기계적 특성 분석을 담당해 협동 연구를 수행했다.

김범준 교수는 "이번 연구를 통해 고분자 태양전지가 높은 효율뿐만 아니라 소자의 기계적 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인했다"며 "이를 필요로 하는 다양한 부착형, 휴대용 소자 구현을 앞당겨 산업계로 큰 파급효과가 있을 것으로 예상한다"고 말했다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김범준 교수와 기계공학과 김택수 교수가 주도하고 김태수 박사과정 연구원(제1저자)등이 수행한 이번 연구는 미래부 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구단, 중견연구자지원사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원으로 진행됐다.

연구결과는 지난 9일 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 온라인에 게재됐다.


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