한국과학기술연구원 김인수 박사팀과 성균관대학교 손동희 교수 등이 납 유출을 방지하기 위한 신축 유연 페로브스카이트 태양전지 제작기술을 개발했다.
페로브스카이트 태양전지는 기존의 상용 실리콘 태양전지를 대체할 유력한 후보로 거론되고 있지만 납화합물을 포함하고 있어 인체 유해성과 관련된 우려가 꾸준히 제기되어 왔으나, 소자 단위에서 납화합물의 유출 방지와 관련된 연구는 극히 드물었다.
기존 딱딱한 유리 대신 가볍고 유연한 자가치유 소재로 열과 수분에 취약한 페로브스카이트에서 납 성분이 유출되는 것을 방지하기 위해 구부리거나 늘이는 것은 물론 외부 충격으로 소재가 찢어져도 자가치유를 통해 납 유출을 차단할 수 있도록 했다.
페로브스카이트 소재는 열과 수분에 취약하여 외부환경과의 차단을 위해 유리 기반의 봉지(encapsulation) 공정을 거치고 있지만 봉지용 유리는 얇아 외부 충격에 의해 손상될 우려가
높을 뿐만 아니라 딱딱한 유리를 활용하기에 신축성이 필요한 웨어러블 디바이스 등에 응용되기에 한계가 있었다.
연구팀은 찢어지는 등의 손상시 수소결합을 통해 손상된 부분을 회복하는 PDMS 기반의 자가치유 고분자를 봉지막과 전극소재로 적용하여 별도 추가 공정 없이 납 화합물 유출 방지효과와 신축성을 모두 얻는데 성공했다.
페로브스카이트 기반 광전소자의 상용화를 앞당기는 데 기여하는 한편 응용분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다.
실제 자가치유 고분자 소재로 봉지된 페로브스카이트 기반 태양전지를 우박으로 인한 충격을 모사하여 인위적으로 손상시킨 뒤 물에 넣고 흘러나온 납 화합물의 양을 확인했다.
납 화합물의 유출량은 0.6 ppb 수준으로 나타나 5.6 ppm 수준의 기존 유리 방식 봉지기술 대비 ~5,000배 가량 높은 납 유출 차단 효과를 확인했다.
스스로 접합이 가능한 자가치유 고분자 소재의 특성을 이용,납땜 공정 없이 사용자가 원하는 소자를 마치 블록을 쌓듯 포개는 방식으로 원하는 광전소자 모듈을 구현할 수 있어 개인용 휴대기기, 신체 부착형 기기 등의 응용 측면에서 더욱 의미가 있다.
구동안정성 및 생체독성 문제의 해결을 통해 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자 뿐만 아니라 유사한 안정성 및 독성 문제를 안고 있는 다양한 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
자가치유 고분자를 활용할 경우, 납땜 또는 복잡한 공정이 필요하지 않기 때문에 사용자 정의의 모듈러 광전소자의 손쉬운 구현이 가능해질 것으로 판단된다. 따라서 앞으로 웨어러블 기기 등에 사용자가 원하는 소자를 (태양전지, 배터리, 발광다이오드 등) 구성할 수 있는 사용자 정의의 온디맨드(user-defined on-demand) 모듈러 전자소자 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.
뿐만 아니라 자가치유 가능한 유연/신축 전극 소재는 최근 폴더블폰 등에서 이슈로 대두되고 있는 힌지(hinge) 문제를 해결하는데 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 11월 29일 게재되었다.