산학연 연구실 소개
고분자 관련 학교 및 연구소 소개 신진연구자 소개 학회소식
54 Polymer Science and Technology Vol. 33, No. 1, Feburary 2022
산학연 연구실 소개(3)
한국과학기술연구원 차세대태양전지연구센터
‘유기 광전자 소재 및 에너지 소자’ 연구팀
(Organic Optoelectronic Materials and Energy Devices Lab, KIST)
주소: 서울시 성북구 화랑로14길5 한국과학기술연구원 차세대태양전지연구센터 L4349 전화: 02-958-5320
E-mail: hjson@kist.re.kr
1. 연구실 소개
본 “유기 광전자 소재 및 에너지 소자 연구팀”에서는 유기 및 고분자 소재의 경량성 및 유연성, 분자 구조 제어를 통해 소재의 기능성을 극대화하여 유기 전자소자의 성능 및 안정성을 향상시키고, 인쇄 공정 기반 재료 및 공정 개발을 통해 저비용 및 고성능 차세대 유기 전자소자를 구현하는 것을 목표로 연구를 활발히 진행하고 있다. 이를 기반으로 하는 유기 전자소자는 가볍고 유연하며, 다양한 디자인 및 색상 구현이 가능하기 때문에 장소나 모양에 구애받지 않아 아웃도어, 의류, 레저용품, IT 휴대기기 등에 쉽게 적용이 될 뿐 아니라 가정 및 건물용 전력 생산에도 응용될 수 있다는 장점으로 다양한 분야에 사용가능한 차세대 기술로 주목받고 있다.
본 연구실은 유기 및 고분자 소재의 합성을 통해 소재의 광학적 특성, 전기화학적 특성, 필름에서 모폴로지 특성을 제어함과 동시에 주로 유기 전자소자의 성능 및 안정성을 향상시키는 연구를 진행해 왔다. 특히, 미래 친환경에너지 기술과 관련하여 광에너지를 하베스팅하고 이를 전기에너지로 변환할 수 있는 고성능 및 고안정성 유기 광전변환 소재 및 공정 기술 개발과 관련 전하의 거동 메커니즘을 규명하는 연구를 활발히 수행하고 있다. 궁극적으로 차세대 도심분산발전 시스템과 플렉서블 및 웨어러블 스마트 기기에 적합한 스마트 전자소자와 자립형 에너지공급원 개발과 상용화를 목표로 하여 이를 달성하고자 연구를 수행하고 있다(그림 1).
연구책임자ｌ손해정 박사 한국과학기술연구원 차세대태양전지연구센터
그림 1. 주요 연구 분야 및 연구 성과.
고분자 과학과 기술 제 33 권 1 호 2022년 2월 55 2. 주요 연구 분야
2.1 에너지 하베스팅 유기반도체 소재: 고성능 광전변환 에너지 유기 및 고분자 소재
본 연구팀에서는 유기소재와 전도성 고분자의 설계 및 합성, 그리고 소재의 화학적 구조와 광전기적 특성과의 상관 관계를 연구함으로써 소재의 근본적 특성을 이해하고자 연구를 진행하고 있다. 특히 개발한 소재의 빛의 흡수에 따른 실시간 거동 및 전자 이동을 분광학적 방법을 이용하여 연구함으로써 거대범위(macroscale)에서 보이는 벌크한 성능을 단분자(single molecule) 수준에서 해석하고 이해함으로써 더 나은 소재를 개발하고자 매진하고 있다. 또한 빛에너지의 전기에너지 전환 효율을 향상시키기 위하여 고분자 소재의 빛에너지 흡수율, 고분자에서 전하 운반자(charge carrier) 형성 및 전하 수송 역할을 극대화 시킬 수 있는 소재 디자인 및 합성을 진행하였 으며, 고분자 소재에서 일어나는 광전 변환 현상의 메커니즘 규명과 원리의 이해를 하고자 한다. 한편, 우수한 전하 전달 특성을 가지는 소재는 낮은 밝기의 광원에서도 효과적으로 전력을 생산할 수 있어 실내외 광원에 모두 적용될 수 있으며 이 소재를 적용한 태양전지는 흐리거나 비오는 날 또는 실내 에서도 꾸준한 전력 생산이 가능해 다양한 형태로 활용 범위가 늘어나고 있는 IoT(Internet of Things) 센서의 전력 공급원 으로 활용이 가능하다(그림 2).
2.2 기능성 대면적 유연 태양전지에 관한 연구
유기/고분자 기반 태양전지는 단가가 저렴하며 가볍고
휘어지는 특성을 통해 저전력 소자, 휴대용 전자기기를 위한 휴대용 에너지원으로써 적용을 기대할 수 있으며, 용액공정 기반의 대면적 소자제작이 가능하다는 장점을 통해 건물 일체형 태양광(Building integrated photovoltaics, BIPV), 자동차 일체형 태양광(Automotive integrated photovoltaics, AIPV) 등 차세대 에너지 발전소자로 높은 잠재력을 가지고 있다.
따라서 유기 및 고분자 자체의 장점과 대면적 유연 소자 적용을 통한 다양한 응용 가능성을 고려할 때, 각종 제품의 핵심 소재로 융복합되어 신규 시장과 기술의 성장 동력이 될 것으로 전망된다.
2.2.1. 저온 대면적 공정이 가능한 유기 및 고분자 소재 개발 유기태양전지는 벌크헤테로정션(bulk-heterojunction, BHJ) 구조를 기반으로 하여 재현성 있는 모폴로지 제어가 어렵고 대면적 소자에 적합하지 않는 등 여러 가지 문제점이 있고, 실험실 수준의 작은 면적에 해당하는 광전변환효율을 상용화 수준의 대면적 소자에서 달성하여 상용화 단계에 도달하기 위해서는 이와 관련한 많은 연구가 필요하다.
본 연구실에서는 기존 PffBT4T-OD 고분자의 높은 결정성과 전하이동도로 고효율을 보임에도 불구하고 낮은 용해도로 인해 고온에서만 공정이 가능하여 대면적 공정 시 발생하는 문제점을 개선하고자 저온 대면적 공정성이 우수한 고분자 전자주개를 개발하였다. 상온에서 낮은 용해도를 가지는 PffBT4T-OD 고분자의 과도한 응집제어를 위해 2개의 thiophene에 알킬기를 포함한 단위체를 도입한 랜덤 고분자를
그림 2. (a) PBDBT-SCl 고분자 기반 유기태양전지의 전하 생성 모식도와 실내조명 활용 컨셉이미지. 기존 고분자와 신규 개발한 고분자에 대한 (b) 쌍극자 변화에 대한 계산 결과, (c) 블렌드 모폴로지 비교, (d) 입사광 세기에 따른 성능 변화와 (e) 실내 조명하 광전변환 특성 그래프.
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3가지 비율로 합성하였고, 우수한 공정성과 높은 에너지 변환 효율을 가지는 대면적 유기태양전지를 개발하였다(그림 3).
우수한 용해도를 가지는 랜덤 고분자 BDT-Th10과 PC71BM 블렌드가 저온에서 고분자의 응집이 제어되어 대면적에서 균일한 박막을 형성하여 재현성이 우수한 소자를 제작하였고, 58.5 cm2면적에서 7.74%의 효율을 달성하였다. 본 연구를 통해 저온에서도 우수한 대면적 공정성을 가지는 광활성층을 개발함으로써 차후 대면적 유연 소자의 상용화 가능성을 높였다.
2.2.2 고효율 대면적 유기태양전지 공정 기술 개발 본 연구실에서는 유기태양전지의 대면적 용액공정을 위해 기존 스핀코팅 방식의 한계를 뛰어넘는 대면적 인쇄방식 공정 개발에 대한 연구를 진행하였다. PCBM 기반 소자에 비해 높은 효율을 보이는 비풀러렌계 광활성층 소재인 ITIC는 대면적 인쇄공정으로 광활성층을 제조할 시 ITIC의 높은 결정성 특성으로 인해 상온에서의 느린 용매 증발 속도에 의해 과도한 결정성장 및 응집현상으로 인해 소자의 특성이 저하되는 것을 확인하였다. 그리하여 공정온도를 변화시켜 광활성층을 형성 시 ITIC와 용매 간의 상호작용을 규명하여 용매증발 속도를
제어함으로써 최적의 모폴로지를 형성하여 대면적 유기태양 전지 소자 제작 기술을 개발하였다. 이를 통해 대면적 인쇄 공정 기술로 제어된 모폴로지에 의해 58.5 cm2의 대면적 유기태양전지에서 9.03%의 높은 효율로 기존 스핀코팅 방식의 소면적(0.12 cm2)에서 10.4%의 효율과 큰 차이가 없는 것을 확인하였다(그림 4). 본 연구를 통해 기존 스핀코팅 방식에서 벗어나 대면적으로의 공정변화를 주었을 때 나타나는 성능 감소 문제를 효과적으로 해결하였고 인쇄 공정 기술을 통해 건물의 외벽 및 창문 또는 자동차 선루프 등 넓은 면적의 전력 생산이 필요한 곳에 광범위하게 활용될 수 있다.
2.3 고안정성 페로브스카트 태양전지 소재
본 연구팀에서는 외부 수분에 취약한 페로브스카이트 태양 전지의 안정성을 향상시키기 위한 고분자 정공수송물질을 개발하였다. 페로브스카이트 태양전지에 일반적으로 사용 되는 고분자 spiro-OMeTAD 정공수송물질은 충분한 정공 이동도를 확보하기 위한 도핑이 필요하며 이는 외부 수분의 유입을 가속시켜 태양전지 소자의 수분안정성을 저해하는 요인 중 하나였다. 이를 해결하기 위해 도핑없이 구동이
그림 3. (a) 저온 대면적 공정성이 우수한 랜덤 고분자 전자주개 구조. (b) 저온 용액 상태에서의 고분자 응집 제어 (c) 블렌드 모폴로지 비교.
(d) 유기태양전지의 효율 분포도. (f) 58.5 cm2면적에서의 소자성능 그래프 및 컨셉이미지.
그림 4. (a) 대면적 인쇄공정 기술 (b) 공정온도에 따른 광활성층 모폴로지 분석 (c) 공정온도에 따른 광활성층의 위치에 따른 표면분석 (d) 스핀코팅 공정과 대면적 인쇄공정으로 제작한 유기태양전지 소자 성능.
고분자 과학과 기술 제 33 권 1 호 2022년 2월 57 가능한 정공수송물질들이 개발되어 왔으나 성능이 저하되는
제한점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 기존 정공수송층 소재를 활용하면서 페로브스카이트층과 기존 정공수송층 사이에 도입할 수 있는 신규 고분자 정공수송체를 개발하였으며, 이는 페로브스카이트 계면의 결합과 상호작용을 통해 전하 추출 속도도 향상하였다. 부가적인 고분자 정공수송체를 도입한 경우 기존에 비해 광전변환효율이 향상되었으며, 85% 상대 습도 조건에서 소자의 안정성 또한 크게 향상되었다. 또한, 고분자 정공수송체와 페로브스카이트층의 상호작용으로 인해 계면접합 특성도 향상되는 결과를 보였다(그림 5). 이러한 고분자 정공수송체는 기존에 활용하는 정공수송층 소재 뿐만 아니라, 앞으로 개발될 수 있는 도핑형 단분자 정공수송체에도 널리 적용될 수 있다.
2.4 근적외선 탐지가 가능한 유기 포토디텍터 개발 유기 반도체는 실리콘 반도체에 비해 소재의 유연성, 자유로운 흡광 스펙트럼 조절 및 높은 흡광 계수, 공정의 용이함과 같은 다양한 장점을 가지는데, 이로 인하여 유기 반도체 기반의 포토디텍터는 용액 공정으로 제작이 가능 하면서도 활성층의 두께를 현저히 낮출 수 있어, 현재 활발히 연구가 진행되고 있다. 본 연구팀은 근적외선을 흡수할 수 있는 전자 주개(donor) 고분자를 합성하고 이를 PCBM과 혼합한 벌크 이종접합(bulk heterojunction)을 형성하여 유기 포토디텍터를 제작하였고, 이러한 유기 포토디텍터에서 전자 주개와 PCBM 사이의 모폴로지가 변화함에 따라 포토디텍터의 성능이 변화하는 이유를 분석하였다. 형성한 벌크 이종접합 박막의 투과 전자 현미경 촬영을 통해, 벌크 이종접합 안에서 전자 주개 고분자와 PCBM 사이에 상분리가 이루어짐을 확인하였고, 특히, 고분자의 종류에 따라 응집된 PCBM의 크기가 변화함을 확인할 수 있었다(그림 6a). 또한 위의 벌크 이종접합을 이용하여 포토디텍터를 형성하였을 때, 응집된 PCBM의 크기가 클수록 암전류가 증가하는 경향을 보였고,
이는 전자가 응집된 PCBM을 타고 음극에서 양극으로 이동하기 더욱 쉬워짐에 따른 결과임을 밝힐 수 있었다(그림 6b).
3. 연구실 현황 및 비전
현재 본 연구진은 손해정 박사와 박사후 연구원 3명, 박사과정 2명, 석사과정 2명으로 구성되어 있으며, 지난 10여년 동안 유기 및 고분자 반도체, 전도성 고분자 등 다양한 유기 고분자 소재의 합성과 대면적 유기태양전지 공정 기술, 플렉서블 및 스트레처블 전자소자에 응용할 수 있는 연구를 꾸준히 진행하고 있다. 특히, 고성능 및 고안정성 유기태양 전지 기술을 확보함으로써 페로브스카이트 태양전지와 같은 다른 차세대 광전소자의 성능 및 안정성 향상에도 응용이 가능하다. 더 나아가 유기태양전지의 소재, 소자 및 분석 기술 개발을 통해 BIPV, rooftop 등 태양광 모듈의 활용을 통해 고밀도 전력공급을 요하는 도시의 에너지 자립이 가능한 것을 목표로 하여 에너지 부족 및 환경 오염 이슈를 해결하는 것에 대한 해법을 제시하여 국가 및 관련 산업의 발전에 기여 하고자 한다.
그림 6. (a) 다양한 고분자:PCBM 박막의 투과 전자 현미경 이미지, (b) 응집된 PCBM의 크기에 따른 전자의 이동 경로 차이.
그림 5. (a) 신규 개발한 고분자 정공수송체(PFPT3)의 구조 및 (b) 페로브스카이트 층과 기존 spiro-OMeTAD 층 사이에 도입했을 때 상호작용.
(c) PFPT3를 도입한 태양전지 성능 그래프 및 (d) 85RH%에 노출한 시간에 따른 성능 변화 그래프. (e) 계면 접착 특성 비교를 위한 double cantilever beam(DCB) 시험 결과.
