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유기 태양전지 대량생산 및 수명 향상 기술 개발

최윤식 기자

등록 2014-07-07 02:17



전라북도가 첨단복합소재 기술개발 사업을 위해 2007년 12월 유치한 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 조한익 박사팀이 쉽고 대량생산이 가능한 판상형 부분산화 이황화몰리브덴 제조법을 개발하였다.

연구팀은 판상형 ‘부분산화 이황화몰리브덴’ 제조를 위해 이황화몰리브덴과약하게 반응할 수 있는 과산화수소와의 단순 혼합 및 교반을 이용하여 용액공정이 가능한 부분산화 이황화몰리브덴 나노시트 제조 및 고농도 분산을 갖는 용액을 성공적으로 제조하였다.

차세대 에너지변환장치인 태양전지 개발을 위해서는 높은 성능을 가진 안정적 전자 소자 개발이 필수적이다. 전기적, 기계적 성질이 뛰어나고 반도체 성질까지 보유해 전기 조절성이 뛰어난 이황화몰리브덴은 이런 이유로 차세대 전자소자로서 각광받고 있다. 특히, ‘부분산화 이황화몰리브덴’은 이황화몰리브덴 중에서도 안정성이 뛰어나다.

3차원의 울퉁불퉁한 암석형태로 존재하는 이황화몰리브덴을 전기적 성능을 가진 부분산화 이황화몰리브덴을 만들기 위해서는 2차원의 단일판 형태로 제작해야한다. 국내 연구진이 소독약으로 쓰이는 과산화수소를 사용하여 원자단위의 두께를 갖는 ‘부분산화 이황화몰리브덴’ 제조방법을 획기적으로 개선하여, 성능이 뛰어난 부분산화 이황화몰리브덴 대량생산의 길을 열었다.

자연에서 암석형태로 발견할 수 있는 이황화몰리브덴*은 다층구조(3차원)를 가지고 있다. 태양전지에 적합한 특성을 갖는 재료를 제조하기 위해서는 이황화몰리브덴을 얇은 판상형으로 제조하고, 그 위에 산화몰리브덴 입자를 올려야하는 복잡한 공정을 거치게 된다. 특히, 기존 제조법은 장시간의 초음파를 암석에 처리하여 제조하기 때문에 대량생산이 어렵고 이황화몰리브덴의 농도가 낮았다. 또한 박리되지 않은 물질은 재분리 과정을 통해 다시 분리해야하는 어려움이 있다. 이 때문에 고농도의 판상형 이황화몰리브덴 제조에 어려움이 있었다.
* 이황화몰리브덴 (molybdenum disulfide, MoS2): 이황화몰리브덴은 자연에서 발견되는 암석에서 얻어질 수 있다. 그래핀과 같이 전기적, 기계적 성질이 뛰어나며 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 나노소재로서 각광을 받고 있다

연구팀은 3차원 이황화몰리브덴을 과산화수소에 단순 혼합하여 판상형 구조를 갖는 고농도의 액체상태의 ‘부분산화 이황화몰리브덴’ 제조에 성공하였다. 이렇게 제조된 용액을 기판에 스핀 코팅(spin coating)* 하여 판상형 부분산화 이황화몰리브덴 필름을 손쉽게 제조하였다.
* 스핀 코팅 : 용액을 회전시켜 골고루 기판에 코팅시키는 방법으로 균일한 필름을 제조 할 수 있는 장점이 있다.

개발된 제조법은 손쉬운 방법으로 기존 공정대비 공정을 2단계 줄였을뿐 아니라, 고농도의 우수하고 안정한 ‘부분산화 이황화몰리브덴’을 제조할 수 있게 되어 대량 생산의 길을 열었다. 이러한 소재의 특성을 이용하여 현재 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 유기태양전지에 이용한 결과, 기존 태양전지가 4일 정도 후 효율이 0%로 떨어지는 데 비해, 16일이 지나도 20%의 효율만 감소한다는 것을 확인할 수 있었다.

*이번 연구 성과는 나노기술 분야의 국제학술지 스몰(Small)에 "Exfoliated and partially oxidized MoS2 nanosheets by one-pot reaction for efficient and stable organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 6월 25일자 권두 표지논문으로 선정됨

KIST 전북분원 조한익 박사는 “개발된 나노소재 박리방법은 값싼 원료를 이용하며 손쉽고 대량생산이 용이하여, 차후 이차원 나노소재 제조의 상업화에 쉽게 이용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

*KIST 전북분원은 현재 완주군 산업단지 내에 부지 318,873㎡, 건물 연면적 27,967㎡ 규모의 연구소를 조성하여 120여명의 연구원들이 6개분야 22개 원천 및 응용기술 연구과제를 수행 중에 있고, 전북대, 전주대, 군산대와 공동 석․박사 협동화과정을 운영 중에 있으며, 내년(2016년) 까지 중견기업(4개 기업) 부설연구소를 유치하여 연구 성과를 사업화하는 등 국가 및 자체 R&D 사업을 발굴하고 우수 인재 양성 및 기업 유치 등 전라북도 복합소재산업 발전 및 경제 활성화에 기여하고 있음
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