김범준 교수팀, 새로운 고분자 물질 적용웨어러블 전자소자의 에너지 공급원으로서 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 갖고 있어 구현하기 어렵다.

KAIST 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀은 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.

하지만, 기존의 고효율 전도성 고분자 소재는 빠른 전하 수송을 위해 단단하고 경직된 분자 구조를 가지게끔 설계됐고, 이와 같은 단단한 고분자 분자 구조는 기계적 신축성을 크게 낮추어 유기 태양전지의 웨어러블 기기 적용에 있어 걸림돌이 되어왔다.

반면 높은 신축성을 갖춘 연성 고분자는 고속 전하이동을 위한 결정 영역 형성이 어려워 전기적 성능이 떨어진다. 때문에, 전도성 고분자의 전기적 성질과 기계적 신축성은 서로 상충관계를 가지며, 두 가지 특성을 동시에 갖추는 것이 매우 어려운 것으로 인식돼 왔다.
 

신규 개발된 전도성 고분자의 화학 구조 및 해당 소재가 사용된 스트레처블 유기 태양전지의 성능. [사진=KAIST]

김범준 교수 연구팀은 높은 전기적 성질을 가지는 전도성 고분자에 고무처럼 늘어나는 고신축성 고분자를 화학 결합을 통해 연결, 높은 전기적 성능과 기계적 신축성을 동시에 가지는 새로운 형태의 전도성 고분자를 개발했다.

개발된 고분자는 현재 유기 태양전지 분야에서 세계 최고 수준의 광전변환효율 (19%)을 가지면서도, 기존 소자들에 비해 10배 이상 높은 신축성을 달성했다. 이를 통해 40% 이상 잡아당겨도 작동하는 세계 최고성능의 스트레처블 태양전지를 구현했으며, 이를 통해 사람이 착용가능한 태양전지의 가능성을 증명했다.
 

존 고분자 대비 신규 개발된 고분자의 유기 태양전지 성능 및 기계적 신축성 [사진=KAIST]

김범준 교수는 "이번 연구를 통해 세계 최고성능의 스트레쳐블 유기 태양전지를 개발했을 뿐만 아니라 새로운 개념의 고분자 소재 개발을 통해 자유형상 및 신축성을 요구하는 다양한 전자소자에 응용가능한 소재 원천 기술을 개발했다는 것에 큰 의의가 있다"라고 밝혔다.

KAIST 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 PolymersEnable High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells).