- 기존의 백금 촉매 대체가능한 로듐 합금 촉매 개발, 연료전지 상용화 기대 - 전자레인지(극초단파)의 원리를 응용한 친환경·초간편 양산 촉매 기술 알칼리 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 전기 에너지 발생 과정에서 물만 배출하여 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 알칼리 연료전지는 1960년대부터 우주발사체 전원 등에 이용되어 왔으며, 에너지 발생을 위한 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 고가의 백금 대신 로듐(Rh, rhodium) 합금을 간편히 제조하여 연료전지 성능을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 기초과학연구원 나노입자연구단 성영은 교수와의 공동연구를 통해, 최근 전 세계적으로 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용가능한 고성능 비백금계 로듐기반 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔으나, 높은 의존도 문제와 더불어 소재 자체의 안정성에 대한 한계가 제기되어 왔다. 연료전지용 소재는 장시간 산화 환경에 노출되기 때문에 소재의 안정성 및 내구성에 대한 엄격한 수준의 소재 기술이 요구되므로 촉매 전체의 내구성을 감소시키는 백금 및 팔라듐 합금은 치명적인 단점이 있었다. 이에 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 로듐에 대해 연료전지용 촉매 연구를 진행한 결과, 로듐과 주석 합금 나노 입자가 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 현재까지 연료전지 촉매 분야에서 로듐은 백금의 보조 촉매 수준으로 사용되어 왔으나, 나노미터(nm) 수준에서의 재료의 표면 제어 기술을 사용하게 되면 고안정성 및 고활성 연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것이 증명되었다. 연구진은 로듐과 주석의 합금 구조가 표면의 구조 변화로 활성점이 증대되면서 이용률이 상승하여 로듐 입자 대비 10배 이상 성능이 향상되고, 기존 백금 촉매 대비 4배의 성능이 향상됨을 밝혀냈다. 특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 적게는 12시간, 많게는 48시간 소요되던 것과 달리, 일반 가정에서 사용하는 전자레인지와 동일한 원리(극초단파, micro wave)를 이용하여 10분 내에 간편히 제조할 수 있는 기술로 개발되었다. 기존 연료전지용 소재 합성법과 달리 화학 첨가물 투입 및 추가 공정 과정이 배제되기 때문에, 신속한 소재 제조 기술 및 공정 단순화 기술 결합이 가능하였다. 그러므로 시간당 촉매 제조 생산량이 높아 향후 소재 생산 공정에 있어서도 상업적 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 연료전지용 촉매 성능 향상 뿐 아니라 기존 연료전지용 촉매에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 새로운 소재의 촉매 설계가 가능해졌다는 점이 핵심”이라 말하며, “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 공정 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 신재생에너지핵심기술사업 한국연구재단, 산업통상자원부 지원으로 수행되었으며, 촉매 분야의 국제 학술저널인 미국화학회 촉매지(ACS Catalysis, IF : 10.614)에 9월 1일 온라인 게재되었다. <그림자료> 그림1. 로듐 합금 나노 입자 표면에서의 전기화학적 반응 모식도

- 저비용의 스테인리스 기반의 전극 제작기술로 인공광합성 기술 상용화 기대 스테인리스 스틸(Stainless steel)은 우리 일상생활에서 자주 사용되는 친숙한 금속 소재이다. 대부분의 주방 용품들이 이 소재로 만들어지고 있을 뿐 아니라 최근에는 자동차, 항공우주 구조물, 건설재료 등으로 그 응용 범위를 넓혀가고 있다. 스테인리스 스틸은 강철의 녹, 부식을 막기 위해 탄소, 크롬, 니켈 등 다양한 원소들을 넣어서 만든 합금이다. 따라서 첨가해 주는 원소의 종류, 양에 따라 현재 다양한 종류의 스테인리스 스틸이 생산되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사팀은 지금까지 주로 강철의 녹을 방지하는데 사용되던 스테인리스 스틸을 전혀 새로운 기술 분야, 즉 인공광합성 물 분해 촉매로 응용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 인공광합성*은 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 미래 기술로서 오랫동안 꿈의 기술로 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 기후변화 대응형 고부가가치 화합물 제조 방법이 필요한 현 시점에서 인공 광합성 기술은 매우 중요한 기술로 여겨지고 있으나 아직까지 전 세계적으로 초보적인 기술 단계에 머무르고 있다. *광합성 : 식물 나뭇잎이 태양빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 탄화수소(포도당)를 만들어 내는 기작을 의미함 인공광합성 기술에는 크게 두 가지 중요 촉매 기술이 필요한데 첫 번째가 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 촉매이고 또 다른 방법은 이산화탄소를 환원시켜 화합물을 만드는 촉매 기술이다. 이 중 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 반응이 더 어려운 기술이며 아직까지 고성능의 촉매가 개발되지 못한 상태이다. 기존에 개발된 수전해 촉매의 경우, 강알카리성 수용액에서는 잘 작동하지만 인공광합성을 할 수 있는 중성 수용액 조건에서는 촉매의 성능이 현저하게 떨어질 뿐만 아니라 현재까지 저가 소재의 촉매가 개발되지 못한 문제점을 지니고 있었다. KIST 연구진은 스테인리스 스틸에는 여러 원소들이 섞여 있고 이 중에는 물분해 촉매 활성이 큰 원소도 포함되어 있다는 점에 착안하여 이 원소들을 표면으로 석출시킴으로써 아주 쉽고 간편한 방법으로 고성능의 물분해 촉매를 제조하였다. 연구에 사용된 스테인리스 스틸은 AISI(미국철강협회) 304 제품(니켈 10%, 크롬 20% 포함)으로 강알카리 수용액(수산화나트륨)에서 높은 전류(1∼6 A/cm2)를 흘려주게 되면 철, 니켈, 크롬 등 스테인리스 스틸을 이루는 원소들이 녹아져 나오게 되고 이 중 니켈이 표면에 재침전 되면서 ‘NiOOH’ 라는 물질이 스테인리스 스틸 표면에 형성되게 된다. 이 물질이 물 분해에 아주 효과가 좋은 촉매로 작용하게 되며 이렇게 만들어진 스테인리스 스틸 촉매는 중성 전해질에서 지금까지 알려진 촉매 중 가장 높은 효율을 보여 주었다. 특히 이렇게 만들어진 촉매는 궁극적으로 중성 수용액 조건에서 작동하는 인공광합성 시스템에 활용되어 효율과 내구성 향상에 기여할 것으로 기대된다. KIST 민병권 박사는 “이번 스테인리스 스틸 소재 기반 물 분해 촉매 기술은 저가 소재와 간단한 공정을 기반으로 대면적화, 대량생산에 유리하다.”고 말하며 “향후 인공 광합성 기술의 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행 되었으며, 연구내용은 국제적 과학 전문지인 ‘Journal of Materials Chemistry A' (IF : 8.867)에 8월 31일(목)자로 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 일반적 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습 (우측 하단)과 개발된 물 산화 촉매 활성이 높은 스테인리스 스틸 포일의 표면 모습 (좌측 상단). 두 가지 포일로 만들어진 전극을 물 분해 반응에 적용했을 때 얻어진 전류-전압 그래프 (300 mV 이상의 과전압이 줄어든 것을 확인할 수 있음)

신개념 바이러스 검출기술로 조류인플루엔자(AI) 판별한다 - 테라헤르츠 분광기술 및 메타물질 결합, 고감도 바이러스 검출 기술 개발 - 향후 다양한 특이 바이러스를 신속·정확하게 판별하는 진단연구에 적용 최근 국제적으로 큰 피해를 일으킨 고병원성 조류 인플루엔자(AI, Avian Influenza) 바이러스는 국내에서 2000년대 이후 주기적으로 반복·발생하고 있으며, 갈수록 변종되거나 그 규모가 커지고 있어 농가뿐 아니라 사회 전반적으로 큰 피해를 주고 있어 신속한 조기진단의 필요성이 증가하고 있다. 최근 국내 연구진이 바이러스를 포함하는 각종 미량의 생체 분자 물질을 정확하게 검출하는 새로운 방법을 개발하는데 성공하였다. 연구진은 광·바이오센서 기술을 이용한 분자검출 플랫폼을 개발하여 신속한 측정이 가능하며, 향후 다양한 비지표식(Label-free) 생체 분자 측정에 적용 가능한 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 서민아 박사팀은 UC 버클리대(University of California at Berkeley) 강지훈 박사, 건국대 수의과대학 송창선 교수, 고려대학교 물리학과 박규환 교수와의 공동 연구를 통해, 테라헤르츠 메타물질*을 개발하여 미량의 조류 인플루엔자 바이러스를 세부 하위유형(亞型, subtype)별로 구별하고 정량화하는 새로운 기술을 확립했다. 기존의 방법인 바이러스에 각종 지표를 사용하는 검출하는 대신, 테라헤르츠 메타물질을 이용한 분광기술을 이용하여 비지표(Label-free) 방식으로 기존 검출 기술의 한계를 극복하고, 높은 민감도와 선택성을 지닌 분자검출 플랫폼으로 신속하게 바이러스 등을 검출하는데 성공했다. *테라헤르츠 메타물질 : 테라헤르츠(THz) 전자기파 영역대에서 기능을 갖는 메타물질로서 특정 주파수에서 투과율이나 반사율이 증폭된다. 지표식(Labeling)의 경우, 바이러스에 말 그대로 ‘이름표’를 붙이는 과정이 필수적인데, 이 이름표는 보통 특정 분자들을 화학적/전기적 특성으로 결합시키는 방법으로 붙게 되고, 이는 바이러스의 성질을 바꿀 가능성이 있는 단점이 있어 향후 바이러스의 양상을 관찰하기에 곤란한 상황이 될 수 있는 단점이 있었다. 하지만 연구진은 비지표식, 특히 본 연구의 방법인 바이러스 하위유형별로 가지고 있는 고유 광학적 특성을 이용한 것으로, 판별이 바이러스의 성질을 바꾸지 않는 장점을 가지고 있으며, 이 방법은 비접촉, 특히 비파괴의 특성을 두루 갖추게 된다. AI 바이러스의 세부 하위유형을 확진하기 위해서는 RNA 염기서열의 확인이 필수적이다. 그러나 이러한 바이러스는 감염판별에 필요한 생물시료의 개수가 방대하여 막대한 시간 및 비용이 소요되는 단점이 있어 세부 하위유형을 신속하게 검진 가능한 상시 모니터링 및 초정밀 조기 진단 시스템 개발이 시급한 상황이었다. 연구진은 테라헤르츠(THz, 1012Hz) 대역의 특정 주파수의 투과율을 수십 배 증폭시키고 집속하는 메타물질을 제작하여 세부 하위유형이 다른 조류 바이러스 샘플을 그 위에 도포하고 테라헤르츠 분광(Spectrum)을 실시하였다. 이때, 메타물질에 의해 증폭된 투과 신호는 바이러스 등의 생체 물질에 대한 높은 민감도를 부여하며, 조류 인플루엔자 바이러스의 표면 단백질인 항원의 종류에 따라 테라헤르츠 주파수에서의 투과율이 달라진다. 연구진은 3종 이상의 바이러스 종류를 구별하여 검출하였으며, 이러한 초고감도 테라헤르츠 분자 센서를 이용해 낮은 농도에서 선별이 어렵다고 알려진 당류(혈당 등)를 수십 mg/dL 농도 이하에서 높은 선택성으로 검출하고, 미량의 잔류 농약을 ppm 이하의 농도로 검출하는데 성공했다. KIST 서민아 박사는 “본 연구로 개발된 분자 감지 기술은 극미량의 분자를 선택적으로 검출하는데 이용할 수 있다. 현재 미량의 특정 DNA 및 스테로이드 등에 대한 검출 유효성도 확보하였다.”라고 말하면서 “향후 다양한 질병 특이 생체 저분자 물질을 신속하게 판별하는 진단 연구 등에 적용되길 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 개방형 연구사업(ORP), 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 중견연구자지원사업(과제책임자, KIST 서민아)과 글로벌프런티어 사업(파동에너지극한제어연구단) 과제로 수행되었으며, 연구내용은 최근 미국 특허 등록(2017년 5월 15일) 및 국제학술지‘Scientific Reports’ 최신호 (7호, 8146, 2017년 8월 15일)에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 테라헤르츠 메타물질을 이용한 조류 인플루엔자 바이러스 검출 모식도

다채로운 색상의 고안정성 창호용 태양전지 개발 - 광결정 기술 융합을 통해 다양한 색상을 갖는 투광형 태양전지 개발 - 안정성, 심미성 확보를 통한 창호용 태양전지로의 응용 가능성 제시 가까운 미래에 도시의 필요 전력을 충당하기 위한 가장 적합한 형태로 건물일체형 시스템(BIPV, Building Integrated Photovoltaic System)*이 각광받고 있다. 매년 건물일체형 태양전지는 20% 이상의 고성장을 하고 있고, 대부분을 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있다. 하지만 대부분 단순한 응용수준에 그치고 있으며, 실리콘 태양전지가 불투명하여 현대 건축물의 창호에는 적용하는데 한계가 있었다. 최근 국내 연구진이 안정성과 심미성을 지닌, 창호용으로 사용 가능한 무기 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. *BIPV : 태양광 에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건물 일체형 태양광 모듈을 건축물 외장재로 사용하는 태양광 발전 시스템이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권 박사와 국민대학교(총장 유지수) 응용화학과 도영락 교수 공동연구팀은 프린팅 기반 저가형 코팅공정의 박막 태양전지 기술과 1차원 광결정** 기술의 융합을 통해 다양한 색상의 창문으로 사용 가능한 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. **1차원 광결정 : 서로 다른 굴절율을 갖는 산화물 박막을 적층하여 빛의 반사도 및 반사 파장범위를 조절할 수 있는 필름 태양전지가 창호용으로 응용되기 위해서는 일정 부분 투광성을 가지고 있어야 하고, 다채로운 색상 구현을 통한 심미성 확보가 중요하다. 또한 오랜 시간 유지될 수 있는 내구성 확보가 필수적인데, 지금까지 창호용으로 개발된 유기소재 기반의 태양전지들은 안정성 확보에 어려움이 있어 상용화 단계에 이르지 못했다. 공동연구팀은 이미 안정성이 검증된 CIGS 박막 태양전지를 투명 전도성 기판에 제조하고, 1차원 광결정 필름을 태양전지 안팎으로 양면 결합을 했다. 연구진은 1차원 광결정 필름의 구조제어를 통해 빛의 투과 또는 반사 효율을 세밀하게 조절함으로써 색상의 선명도는 높이고 태양전지의 빛 흡수 손실은 최소화하는 기술을 개발하였다. 따라서 이번 연구는 다채로운 색상 구현에 성공하여 심미성을 높이고, 일정 투광성을 확보하여 창호용 태양전지로 응용 가능한 새로운 태양전지 기술을 제시한 의의를 갖는다. 연구진은 CIGS 박막 제조에 있어서 기존의 진공 증착 방법이 아닌 저가의 용액 코팅법을 이용했다. 기존의 용액공정을 통한 CIGS 박막 태양전지는 기존 진공증착법 보다 낮은 효율을 보이고 있었으나, 본 연구진은 꾸준한 기술 개발을 통해 현재 효율이 15%에 이르는 세계 최고 수준의 고효율 단위 셀 기술을 보유하는데 성공하여 저비용으로 태양전지를 제조 할 수 있는 토대를 마련하였다. KIST 민병권 박사는 “이번에 개발된 박막 태양전지 기술의 가장 큰 장점은 아름다운 색상을 띄면서도 고효율과 고내구성 및 투광성을 확보할 수 있다는 점”이라 말하며, “향후 건물일체형 창호용 태양전지에 적용하여 관련 산업 창출에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구는 산업통상자원부(장관 주형환)와 한국에너지기술평가원(원장 황진택)이 시행하는 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행 되었으며, 나노 및 에너지소재분야 최상위급 과학학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces, IF : 7.145)에 5월 3일(수) 게재되었다. <그림 설명> <사진 1> 1차원 광결정 필름이 결합된 CIGS 박막 태양전지 모습. CIGS 박막 태양전지가 전도성 투명기판에 제조되었기 때문에 스크라이빙 기술을 통해 일정 부분 투광성 확보가 가능함. 광결정 필름을 태양전지 외부에 결합한 경우 외부에서 파란색(오른쪽)으로 보이지만 건물 내부에서 볼 때는 노란색(왼쪽)으로 보이게 됨. 광결정 필름의 두께 조절을 통해 빨간색, 노란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있음 <사진 2> 1차원 광결정 필름을 이용한 다양한 색상의 CIGS 박막 태양전지 모습

고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다 - 프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장 - 저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소 생산 상용화 앞당겨 태양광 물 분해 기술*은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상되나, 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출한다는 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 태양광 사용으로 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔지만, 아직까지 태양광으로부터의 생산 효율이 낮고, 소재 개발 단계에 머물러 있는 등 실용화에 크게 어려움을 겪고 있었다. *태양광 물분해 : 인공광합성의 예, 햇빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다. KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨* (CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용하였다. 고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술 개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다. *황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물(CIGS) : 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄의 원소가 일정비율로 결합된 화합물로 반도체 특성을 나타냄. 물을 환원시켜 수소를 생산하는 광촉매전극으로 관심을 받고 있음 연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 본 연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이라고 할 수 있다. *광전류 밀도 : 빛을 통한 전기 화학반응, 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지의 정도 연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태(Surface State)를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명*을 크게 향상 시키는 기술 개발을 통해 가능하게 되었다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해, CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 하였다. 한편, 연구진은 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시하였다. *전자-정공쌍의 수명 : 반도체가 빛 에너지를 흡수하면 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되고, 물 분해에 사용된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다. KIST 황윤정 박사는 “이번에 개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038))에 12월 7일(Vol.138, Issue 48) 게재되었다. * (논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 선임연구원, 민병권 센터장 <그림설명> <그림 1> CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과 (좌측) 와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도 (좌측 내부). 가역수소전극 대비 ？0.3 V에서 ？24mA/cm2의 광전류를 보임을 확인. 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진 (우측).

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

다양한 고감도 가스 감지가 가능한 이차원 반도체 제조기술 개발 - 수소-불소 플라즈마 도핑 기술을 이용하여 광발광 효율을 가역적으로 조절 - 기존에 검지되지 않던 암모니아 가스를 고감도 감지 최근 국내 연구진이 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있고 다양한 가스의 감지가 가능한 이차원(2D) 전이금속 칼코겐 화합물 반도체 제조 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 전영민 박사팀은 수소-불소 플라즈마 기술을 이용하여 이차원 전이금속 칼코겐화합물의 광발광 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 이를 가역적*으로 조절할 수 있는 기술을 개발했다. *가역적 : 역과정이 순과정과 완전히 동일하게 일어나는 과정 전이금속 칼코겐 화합물은 약하게 결합된 층상구조를 가지고 있어 그래핀과 유사하게 단일층으로 쉽게 분리될 수 있다. 이렇게 만들어진 이차원 전이금속 칼코겐화합물은 그래핀과 달리 반도체 특성을 가지고 있어 차세대 이차원 물질로 많은 연구가 이루어지고 있으나 낮은 광발광 효율로 인해 전자 및 광학 소자 개발에 어려움을 겪어왔다. 또한 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체에서 광발광 효율은 엑시톤*의 발광과 관련이 있어 이를 가역적으로 조절할 수 있는 기술이 중요하나 지금까지는 이를 위하여 복잡한 구조의 전자 소자의 제작이 요구되어 왔다. *엑시톤(Exciton) : 전자(電子)와 양공(陽孔)이 정전기력으로 결합하여 형성된 준입자 전영민 박사팀이 개발한 플라즈마 도핑 기술은 적은 양의 처리로도 이차원 전이금속 칼코겐화합물 반도체의 광발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 복잡한 공정 없이도 쉽게 광발광 효율을 가역적으로 조절할 수 있다. 이는 상기 물질에서 광발광 효율이 전자 농도에 의존하여 변화하고 불소 원소가 높은 전기음성도*와 흡착 에너지를 가지고 있음에도 개발된 플라즈마 기술로 인하여 탈착 현상이 안정적으로 정밀하게 일어날 수 있기 때문이다. *전기음성도 : 분자나 원자가 외부의 전자를 끌어 잡아당기는 힘의 정도 또한 연구팀은 새롭게 개발된 기술을 이용하면 이차원 물질의 전자 상태를 크게 바꿀 수 있기에 기존 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체에서는 감지가 안 되었던 암모니아 가스를 고감도로 감지할 수 있다는 사실도 증명하였다. 이러한 센서의 응용은 기존에 감지가 되지 않았던 다른 n-형 가스*에도 적용할 수 있다. *n-형 가스 : 전자를 주는 성질을 지닌 가스 KIST 전영민 박사는 “본 연구에서 개발된 기술은 차세대 스핀-편광 광발광 다이오드, 고감도 가스 센서 등의 새로운 광전 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 생각하며 향후 전이금속 칼코겐화합물 외의 다른 이차원 물질들에도 다양한 형태의 적용이 가능하다”라고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유 미래원천기술개발사업과 글로벌 프론티어사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 11월 8일자(Vol.26, No.42) 전면 표지논문(Front Cover)으로 선정되어 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 수소-불소 플라즈마 공정에 따른 텅스텐 칼코겐화물 반도체에서의 트리온-엑시톤 광발광 효율의 변화 불소 플라즈마 공정에 따라 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체의 엑시톤 광발광 세기가 크게 변한다(왼쪽 및 중앙 그림들). 수소-불소 플라즈마 기술을 적용하면 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체의 광발광 효율의 반복적인 가역 조절이 가능하다. <그림 2> 불소화된 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체의 암모니아 가스 검지 성능 기존의 텅스텐 칼코겐화물 반도체는 암모니아 가스를 전혀 검지할 수 없는 반면에 불소 플라즈마 공정에 따른 전자농도 및 광발광 효율의 변화에 의하여 불소화된 이차원 텅스텐 칼코겐화물 반도체는 높은 감도로 암모니아 가스를 검지할 수 있다.

KIST, 고효율·저가형 촉매 원천기술 개발로 수소에너지 상용화에 기여 - 고가의 귀금속 촉매 대체할 저렴한 니켈계 촉매 사용으로 수소 에너지 경제성 향상 - 친환경 물 분해과정을 통한 수소에너지 상용화 및 보급화에 기여 친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전 세계적으로 다양한 연구가 진행 중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 니켈계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매 비용보다 약 100배 저렴하고 성능은 거의 동일하여 수소 에너지 상용화에 한발짝 더 가까워질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 물 분해를 통한 수소 발생 반응과정에서 고결정성 인화니켈 나노선 화합물을 전극 촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 낮추면서 내구성이 높고 성능이 뛰어난 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 하지만 상용화를 위해서 몇 가지 걸림돌이 있다. 첫째로 현재 많이 사용되고 있는 수소에너지 발전 방식은 물의 전기분해를 통해 수소를 발생시키는 ‘수소 스테이션’ 방법이다. 이 방법은 고순도의 수소를 환경파괴 없이 생산할 수 있지만 웬만한 건물 크기에 맞먹는 대용량 수조가 필요해 도심의 에너지 공급원으로 사용하기 위한 전극의 소형화가 필요하다. 둘째, 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속 촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 사용되고 있는데 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구된다. 셋째, 현재까지는 백금 촉매가 물을 수소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 니켈계 금속 또는 화합물 촉매의 경우는 백금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(백금 가격의 1/100)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 고효율, 저가형 촉매 제조를 위해 니켈계 화합물의 일종인 인화니켈의 고효율 반응 가능성에 주목하였다. 이에 연구팀은 양자역학 계산기법을 활용, 인화니켈을 나노선(nanowire)으로 성장시키는 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 단결정 인화니켈 나노선은 표면에서 니켈 금속과 인의 강한 상호 작용을 통해 니켈금속의 전자 구조를 변형시켜 수소 발생 반응을 극대화시켰음을 보여주었으며 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 싱크로트론 X-ray로 세계 최초로 밝혔다. 이는 또한, 물로부터 수소를 발생시키는 경우 니켈계 금속 촉매에서 필요한 과전압보다 60% 더 낮은 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여줌과 동시에 뛰어난 내구성으로 높은 전류와 전압조건에서 운행된 12시간 동안의 물 분해 실험에서 성능이 거의 감소되지 않았다. 이 실험은 새로운 촉매가 기존의 니켈 산화물 촉매와 귀금속계 촉매보다 내구성이 우수함을 입증한 것이다. 특히 인화니켈 나노선 촉매는 단위 면적당 높은 반응성을 보여 현재까지 보고된 니켈계 촉매들의 성능 중 최고 수준이다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지로서 물을 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화는 중요한 이슈가 되고 있다.”라며, “그런 의미에서 이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희)의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 그리고 한인도협력센터 GKP (Global Knowledge Platform) 사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 Nano Energy (IF: 11.553) 8월호에 게재되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다. * (논문명) Rationalization of electrocatalysis of nickel phosphide nanowires for efficient hydrogen production - (제1저자) 한국과학기술연구원 정영훈 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 이승철 박사 <그림자료> <그림1> 인화니켈 나노선 촉매를 통한 고효율 수소 발생 반응 스킴. 인화니켈 나노선은 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림2> 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 인화니켈을 나노 선으로 성장시키는 과정 및 반응 사이트 분석 <그림 3> 인화니켈 나노선에서 양자역학적 계산을 통한 반응 메커니즘 분석 및 싱크로트론 X-ray로 촉매 전자 구조 분석

나뭇잎처럼 광합성을 통해 화학원료 대량생산하는 인공광합성 시스템 개발 - 태양전지-촉매 융복합 기술을 이용한 고효율 인공광합성 디바이스 개발 - 인공광합성을 통해 새로운 패러다임의 지속가능한 화합물 생산 방법 제시 나뭇잎이 에너지를 얻는 자연의 섭리처럼 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 대량생산할 수 있는 세계 최고 수준의 인공 광합성 시스템 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권, 김홍곤, 황윤정 박사 연구팀과 고려대학교 그린스쿨대학원 태양전지 연구팀(김동환, 강윤묵 교수)은 태양전지기술과 촉매기술의 융복합을 통하여 태양광 에너지만으로 작동하는 자가구동, 일체형 인공광합성* 디바이스 기술을 개발했다고 밝혔다. * 광합성 : 식물 나뭇잎이 태양빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 탄화수소(포도당)를 만들어 내는 기작을 의미함 자연의 광합성을 모방하여 화석연료나 바이오매스 등과 같은 태양에너지가 저장되어 있는 매개체를 거치지 않고 태양에너지를 직접적으로 고부가화합물로 바꾸어 주는 인공광합성 기술은 오랫동안 꿈의 기술로 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 기후변화 대응형 화학원료 제조 방법이 필요한 현 시점에서 인공광합성 기술은 매우 중요한 기술로 여겨지고 있으나 아직은 세계적으로 초보적인 기술수준에 머무르고 있었고, 태양광-화학원료를 대량생산 할 수 있는 구체적인 방법에 대해 아직까지 제시된 바가 없는 상태였다. 본 연구진은 태양전지-촉매 융복합 기술개발을 통해 태양광-화학원료를 효과적으로 생산할 수 있는 디바이스 구조를 제안*한 바가 있었으며 이번 연구를 통해 선행연구 결과를 확장, 발전시켜 태양광-화학원료를 대량생산 할 수 있는 시스템을 개발하고 이를 통해 꿈의 인공광합성 기술의 현실화 가능성 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다. * A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature (Journal of materials chemistry A (IF: 8.262), 2015년 3월) 인공광합성 기술을 완성하기 위해서는 다양한 요소 기술들의 융복합이 필요하다. 특히 태양광을 흡수하여 전자를 생산하는 광전극 기술, 물 분해를 위한 촉매 기술, 또한 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜 주기 위한 촉매 기술은 핵심 요소 기술이라고 할 수 있다. 지금까지는 전 세계적으로 각 개별 요소 기술에 대한 연구가 주로 진행되어 왔지만 ‘KIST-고려대 그린스쿨’ 공동 연구팀은 각 요소기술 개발뿐만 아니라 이들 기술의 통합을 통해 실질적으로 태양빛만으로 작동되는 일체형 인공광합성 디바이스 모듈을 제작하였고 또 그 성능을 시연 하였다. 가장 일반화 되어 있는 태양전지 기술인 실리콘 태양전지 기술을 스테인레스 스틸 기판에 적용하여 광전극을 제조하였으며 이때 사용된 스테인레스 스틸 기판 반대면에 나노구조화 기술을 도입하여 물분해 특성이 획기적으로 증대된 산화전극을 개발하였다. 또한 나노구조화된 은 촉매 전극을 개발하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 고 선택적으로 생산할 수 있도록 하였다. 스테인레스 스틸 및 은 나노촉매 전극은 향후 인공광합성 디바이스를 상용화 시키는데 충분한 저가 촉매 소재라고 할 수 있다. 이 기술의 또 다른 장점은 태양빛 이외의 추가적 에너지 투입 없이 자가구동하는 시스템이라는 점이며 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조하여 효과적으로 태양빛을 이용할 수 있다는 것이다. 단일 디바이스 8개를 모듈화하여 대량생산이 가능한 시스템을 제시하였다. 또한 이러한 인공광합성 디바이스 효율을 향후 10% 까지 발전시킨다면, 현재 우리나라 영월군 40 MW 태양전지 플랜트 면적 (0.25 km2)과 같은 수준으로 설치, 하루 4시간씩 가동시킨다면 연간 1만4천톤의 일산화탄소를 생산할 수 있으며 이는 같은 면적에서 전력을 생산하는 것 보다 3배 이상의 부가가치에 해당한다. 민병권 박사는 ‘이번 연구는 인공광합성 시스템을 태양전지와 같은 패널형 구조로 구현함으로써 태양광-화학원료의 대량생산 가능성을 보여주는 연구결과“라고 말했으며, ”향후 인공광합성의 상용화를 위해 한걸음 진일보한 연구결과라는 점에서 큰 의의가 있다“고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유 미래원천사업과 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 시행하는 특화전문대학원 학연협력지원사업의 지원을 받아 수행되었다. <그림자료> 사진 1. 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조 및 설치되어 태양빛 흡수를 원활하게 하고 대량으로 화학원료 생산이 가능한 일체형 자가구동 인공광합성 디바이스 시스템.

신규 고분자 물질로 고효율 플렉시블 태양전지 제작한다 - 태양전지 내의 핵심부분을 저온 공정이 가능한 신규 고분자 물질로 대체 - 구부렸다 펴도 성능이 유지되는 고성능·고안정성 플렉시블 태양전지 구현 현재 웨어러블, 플렉시블 전자소자는 미래를 선도해갈 차세대 전자소자로 두각을 나타내고 있으며 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 여러 전자소자들 중 플렉시블 태양전지는 미래 웨어러블 기기 상용화의 핵심 기술 중 하나로 그 중요성을 인정받고 있다. 최근 국내 연구진이 높은 성능과 동시에 높은 안정성을 갖는 플렉시블 태양전지를 개발하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정, 고민재 박사팀은 기존의 태양전지 내의 핵심부분 중 하나인 정공수송층*으로 널리 이용되던 물질(PEDOT:PSS**)을 대체할 수 있는 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 개발하였고 이를 사용하여 고성능·고안정성 플렉시블 페로브스카이트*** 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. ※용어설명 *정공수송층 : 페로브스카이트에서 생성된 전하 중 정공이 페로스카이트에서 전극 쪽으로 원활하게 추출될 수 있도록 도움을 주는 층을 말한다. **PEDOT:PSS : poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate의 약자로, 상업적으로 구매가 가능한 대표적인 전도성 고분자이다. ***페로브스카이트 : 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합되어 있는 물질로서, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체이다. 기존의 금속 산화물로 이루어진 페로브스카이트 결정구조와 유사한 구조를 갖는다. 근래 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 분야는 급격하게 발전하여 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 것이라 기대를 모으고 있다. 플렉시블 태양전지는 플라스틱 유연기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정이 필수적인데, 본 연구팀이 개발한 신규 고분자 물질은 저온에서 용액공정으로 제작이 가능한 플렉시블 태양전지에 더 적합한 물질이라고 볼 수 있다. 기존의 페로브스카이트 태양전지는 전극 사이의 경계면 층에 사용되는 물질들이 고온공정이 요구되어 플렉서블 소자 구현에 문제가 있었다. 최근 이를 극복하기 위하여 저온공정이 가능한 소자들이 제안되고 있으나 그 성능과 안정성 면에서 굉장히 제한적인 모습을 보이고 있었다. 가장 문제가 되고 있는 부분은 정공수송층으로 널리 쓰이는 PEDOT:PSS**이다. 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 상업적으로 구입이 가능하여 널리 이용되고 있었으나 강한 산성을 지니고 있어 인접한 층의 부식을 가속화 시키고 페로브스카이트와 적합하지 않아 많은 에너지 손실을 야기했다. KIST 손해정, 고민재 공동연구팀은 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대체하여 라는 신규 고분자를 개발하여 정공수송층으로 사용하였다. 이 고분자는 물 혹은 물/알콜 혼합용액에서 높은 용해도를 보여 저온에서 손쉽게 용액공정으로 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 실험을 통해 확인하였고, 에너지 손실을 줄일 수 있음을 입증하였다. 이를 이용하여 제작된 페로브스카이트 플렉시블 태양전지는 최고 14.7%까지의 높은 전력변환효율을 기록하였다. 기존 물질을 이용한 소자가 8.4%의 전력변환을 보였다는 점을 감안하였을 때 이러한 효율은 물질의 우수함을 입증하는 결과라 할 수 있다. 또한, 물질은 기존과 달리 중성의 성질임을 확인하였으며, 이는 태양전지 소자의 안정성을 향상시켜 대기 중에서 장기안정성이 3~4배 향상된 결과를 도출하였다. 연구책임자인 손해정 박사는 “이번에 개발된 신규 전도성 고분자 소재는 고효율 플렉서블 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 지대한 기여를 하였고, 향후 태양전지 외에 광센서 등 유연 인쇄전자 소자에 중요 부품으로 활용될 것으로 기대된다” 라고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 7월 5일자에 표지논문으로 게재되었다. <그림자료> <그림 1> (a) 본 연구에서 사용한 페로브스카이트 태양전지의 구조 (b) PhNa-1T의 화학구조 (c) 소자 각층의 에너지레벨 (d) 정공수송층의 표면거칠기 (e) 정공수송층의 투과도 <그림 2> (a) 플렉서블 페로브스카이트 태양전지의 전압-전류 곡선 (b) 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율 (c) PEDOT:PSS를 이용한 태양전지의 측정방향에 따른 전압-전류곡선 (d) PhNa-1T를 이용한 태양전지의 측정방향에 따른 전압-전류곡선