고려대, 내구성 및 안정성 뛰어난 ‘유기물 기반 실내 광전지 핵심기술’ 개발

심재원-김태근 교수팀 연구 성과, 국제 학술지 Advanced Functional Materials 게재

▲ (왼쪽부터) 고려대 전기전자공학부 심재원 교수, 김태근 교수, 김태혁 대학원생, 이호진 대학원생 (사진=고려대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 고려대학교(총장 정진택) 전기전자공학부 심재원 교수, 김태근 교수, 김태혁 대학원생, 이호진 대학원생이 이끄는 연구진은 차세대 실내용 유기 광전지 광학 효율 및 안정성을 극대화하는 핵심기술을 개발했다.

이번 연구 성과는 해당 분야 국제 저명 학술지인 Advanced Functional Materials [IF:19.924, 인용순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 4.658%]에 게재됐다. (원문 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202270174)

실내용 유기물 광전소자는 사물 인터넷(IoT) 기반 무선 센서 및 저전력 실내 전자 장치의 차세대 광원으로 주목받고 있다. 하지만, 유기물 광전소자는 높은 전력 변환 효율(PCE)의 개선에도 불구하고 다양한 실내환경에서 안정성을 보장할 수 없다는 한계가 있었다. 실내조명 중 높은 빛과 열을 발하는 할로겐램프의 경우, 유기물 기반 반도체층의 형태학적 변화에 따른 전기?광학적 손실로 인해 안정성이 크게 감소되며, 기계적 견고성 또한 낮은 바, ‘휘고 말고 접는’ 폼팩터(form factor)한 실내환경에 적용하기 위해서는 새로운 전략이 필요한 상황이었다.

연구진은 실내용 유기물 광전소자의 반도체층을 다성분계로 변화시킴으로써 형태학적 진화, 분자 순서 및 결합력 향상을 이끌어냈고, 이를 통해 빛과 열 그리고 기계적 안정성을 모두 극대화하는 성과를 달성했다. 특히, 반도체층의 성분계가 증가할수록 엔트로피 또한 증가하는바, 이를 통해 보다 균형 잡힌 분자 배열과 뛰어난 안정성을 확보할 수 있었다. 그 결과, 할로겐램프(1000시간 동안 55℃ 이상 환경) 아래에서 초기 효율의 90% 이상을 유지하는 동시에, 기계적 변형조건(인장률 10%에서 1000회 스트레칭)에서 초기 효율의 82%를 유지하는 핵심기술을 개발하게 되었다.

이번 연구는 연구재단의 기후변화대응기술개발사업, 리더연구자 지원사업, 중견연구 지원사업의 지원으로 수행되었다.

▲ (위) 다성분계 광활성층에 따른 실내 조명 할로겐 램프(55℃ 이상 환경)에서 1000시간 동안 및 (아래) 1000회의 스트레칭 이후 전력변환효율 변화 결과 (자료=고려대)