고효율 고분자태양전지 길 '연다' 

옷에 넣을 수 있는 소형이나 수첩, 핸드백 등에 부착하는 휴대용으로 개발할 수 있어 관심을 모으고 있는 고분자 태양전지의 효율을 높일 수 있는 기술이 개발됐다.

포스텍 화학공학과 블록공중합체자기조립단 김진곤(51 사진) 교수와 박사과정 이정인(27)씨 연구팀은 포스텍 박수문 교수(화학), 한국과학기술연구원 유재웅 박사, 미국 매사추세츠대와의 공동연구를 통해 투명전극(Indium Tin OxideㆍITO) 기판 위에 수직으로 정렬된 전도성 고분자 나노막대를 1011개/㎠ 이상의 초고밀도로 배열하는데 성공했다.

나노기술 분야의 세계적 권위지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 온라인판 최신호에 발표된 이 기술은 최근 각광을 받고 있는 고분자태양전지의 효율을 높이는데 이용 가능해 그 의미가 크다.

전도성 고분자는 가볍고 가공이 쉬우면서도 전기가 통하는 물질로, 최근에는 이 전도성 고분자 나노 막대를 수직으로 세워 ITO 기판 위에 초고밀도로 정렬시키는 것이 학계의 주 관심사였다.

▲투명전극 기판 위에 전도성 고분자 나노 막대를 초고밀도로 세우는 과정.

전도성 고분자 나노막대를 세우기 위해 나노 틀(Nano template)을 사용하는데, 기존 연구는 폴리카보네이트 막(膜ㆍmembrane)이나 양극산화알루미늄 막을 사용해왔다. 그러나 폴리카보네이트의 경우 밀도를 높일 수 없으며 양극산화알루미늄의 경우에는 나노 막대를 만든 뒤 틀을 제거하면 나노 막대가 기판 위에서 수직으로 설 수 없는 단점을 갖고 있어서 연구에 어려움을 겪었다.

김 교수팀은 "이 단점을 보완하기 위해 폴리스틸렌-플로메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA) 블록 공중합체 나노 틀을 이용했으며, 이 틀을 사용해 만든 전도성 고분자 나노막대는 나노 틀을 제거한 후에도 ITO 기판 위에서 수직 상태를 유지하는 것으로 나타났다"고 밝혔다.

특히 이 나노막대는 1011개/㎠ 이상의 초고밀도로 배열되어, 고분자 태양전지 분야에서 주로 연구되어 온 필름 상태의 구조보다 전도도(傳導度)가 3.6배 높기 때문에 보다 높은 효율을 가질 것으로 기대된다.

 
▲기판 위의 나노 막대를 고분해능 투과 전자현미경(HR-TEM)을 이용해 촬영한 모습. 사슬이 나노 막대 방향으로 잘 배향돼 있다.

연구팀은 "필름 상태의 전도성 고분자는 고분자 사슬이 특정한 배열 없이 섞여 있는 상태지만, 나노 막대 상태로 정렬돼 있는 전도성 고분자는 사슬이 일정하게 배열되어 전자나 전공이동이 용이하다"고 설명했다.

이 기술은 학계에서 끊임없이 연구되고 있는 '고분자 태양전지'의 효율을 높이는 기술과 유기소자, 센서 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다. '고분자 태양전지'는 기존의 실리콘 태양전지보다 생산 가격이 저렴할 뿐 아니라, 가볍고 구부릴 수 있어 휴대용으로도 개발 가능한 것으로 알려져 있다. 이 연구는 교육과학기술부와 한국과학재단의 '창의적 연구 진흥사업'의 지원을 받아 이루어졌다.