[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 이필립·조만식 박사와 한양대 고민재 교수 공동 연구팀은 집적도 및 신축도에 대한 자유로운 제어가 가능한 고신축성 페로브스카이트 태양전지 모듈을 개발했다고 21일 밝혔다.

연구진은 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린팅 기술과 종이접기 기술을 융합했다. 페로브스카이트는 빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질이다.

연구결과(논문명 "3D Printer-Based Encapsulated Origami Electronics for Extreme System Stretchability and High Areal Coverage")는 소재 분야 국제 저널인 'ACS Nano' 최신호에 게재됐다.

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = (a) 3D 프린팅을 활용한 고 신축성 태양전지 모듈 제작 공정 (b) 제작된 고 신축성 페로브스카이트 태양전지 모듈 (좌) 및 반복 인장 특성 (우) (좌측) 페로브스카이트 태양전지 모듈 인장 사진 (우측) 1000회의 반복적인 400% 시스템 인장에 따른 성능 변화 그래프 [그림=KIST] 2019.11.21 kimys@newspim.com

연구진에 따르면 3D 프린팅 기술은 공간배치에 따라 성능이 극대화될 수 있는 태양전지를 포함한 에너지 소자 분야에 활용할 때 잠재력이 클 것으로 기대되고 있으나, 3D 프린팅 기술을 활용한 에너지 소자 모듈에 관한 연구는 많지 않은 실정이다.

3차원 설계가 가능한 에너지 소자 모듈 기술은 태양전지를 포함한 기존 에너지 소자의 성능 및 적용 분야의 큰 확장이 가능하다는 측면에서 많은 연구가 필요하다.

기존에 신축성 소자 제작을 위해서는 주로 섬-다리(island-bridge) 구조를 활용했다. 하지만, 이 구조에서는 신축성을 높이게 되면 에너지 소자의 집적도가 저하되고, 집적도를 높이게 되면 신축성이 저하되는 문제가 있었다.

공동 연구진은 3D 프린터 공정과 종이접기 기술(오리가미, 키리가미 구조)을 활용, 신축성을 갖는 태양전지 연결부를 3차원상에 효율적으로 배치했다. 이를 통해 만들어진 페로브스카이트 태양전지 모듈은 100%에 가까운 태양전지 집적도를 달성, 태양전지 소자로 기판을 가득 채울 수 있었다.

또한 초기 상태 대비 5배까지 늘어나도 문제가 없었다. 제작된 페로브스카이트 태양전지 모듈은 5배로 늘이는, 1000번의 반복적인 인장 시험에서도 초기의 성능을 유지했다.

이는 기존에 발표된 반도체 공정 혹은 2차원 기반 인쇄공정으로 제작된 기존 신축성 소자와 비교해 월등한 집적도 및 시스템 신축성을 동시에 달성한 결과다. 공동 연구팀이 도입한 접근법을 활용하게 되면 3차원 배치에 따라 집적도 및 신축도를 한계 없이 얼마든지 늘리는 것이 가능하다.

이번 고 신축성·전도성 플랫폼 기술은 태양전지 외에도 에너지 소자, 센서, 액츄에이터 등 다양한 전자 소자에 적용이 용이하며, 3차원 설계에 따른 다양한 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다.

아울러 의류, 패션 분야 적용에 강점을 갖는 3D 프린팅 기술을 복합적으로 활용하게 될 경우 웨어러블 소자와 같은 생활 밀착형, 고부가 가치 사업 분야로의 확장이 가능하다.

KIST 이필립 박사는 "이번 성과는 3D 프린팅 기술과 에너지 소자와의 융합을 통해 기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하는 접근법을 제시한 것으로, 앞으로 태양전지 유연화 및 경량화, 3차원 설계기술 제어, 나아가 형상기억 고분자 기술과의 융합을 통해 시너지 효과를 낼 수 있을 것"이라고 밝혔다. 

kimys@newspim.com