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▲ 국내 연구진이 섬유형 태양전지를 의류에 적용하고 이를 활용해 전자기기를 구동하고 있다.

국내 연구진이 섬유형 태양전지의 핵심 제조공정인 염료흡착 시간을 기존 16시간에서 30분으로 단축하고, 기존 공정에 근접한 발전효율과 반복 굽힘·세탁 내구성을 확보했다. 전기 생산과 유해가스 감지 기능을 결합한 다기능 섬유 소자도 구현해 스마트 보호복과 웨어러블 전자기기 적용 가능성을 넓혔다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 송명관 박사와 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 공동으로 티타늄 기반 금속-유기 골격체(Ti-MOF)와 전기화학 기술을 결합해 섬유형 태양전지의 염료흡착 시간을 단축하는 공정기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

섬유형 태양전지는 실처럼 가늘고 유연해 옷감에 삽입하거나 직조할 수 있는 차세대 에너지 소자다. 이 가운데 염료감응 태양전지는 염료가 빛을 흡수해 전기를 생산하는 방식으로, 가볍고 유연해 스마트 의류와 웨어러블 전자기기의 전원으로 주목받고 있다.

그러나 기존에는 염료 분자가 전극 표면에 자연스럽게 이동해 흡착하도록 염료 용액에 약 16시간 담가야 했다. 긴 공정시간은 제조 효율을 낮추고 대량생산을 어렵게 하는 요인으로 꼽혔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 미세한 기공과 넓은 표면적을 가진 Ti-MOF를 이산화티타늄(TiO₂) 기반 섬유형 광전극에 적용하고, 전기장을 이용해 염료 분자의 이동과 흡착을 촉진했다. 이를 통해 짧은 시간에도 충분한 양의 염료가 전극에 흡착되도록 했다.

연구팀이 5V 전압을 30분간 가하는 공정을 적용한 결과, 염료흡착 시간을 기존 대비 약 97% 단축하면서 광전변환효율 7.06%를 확보했다. 이는 Ti-MOF를 적용하고 16시간 동안 염료를 흡착한 기존 공정의 광전변환효율 7.45%와 비교해 약 95% 수준이다. Ti-MOF를 적용하지 않은 소자의 효율 5.54%보다도 높은 수치다.

내구성도 확인했다. 개발된 소자는 5,000회 반복 굽힘 후에도 Ti-MOF를 적용하지 않은 소자보다 높은 효율 유지율을 보였으며, 20회 세탁 후에도 초기 발전효율의 약 80%를 유지했다. 150℃에서 60시간 동안 열에 노출된 뒤에도 정상 작동했다.

실제 전자기기 구동도 입증했다. 야외에서는 디지털 손목시계를 작동시켰으며, 약 907룩스(lx)의 실내조명 아래에서는 디지털 손목시계와 액정소자를 구동했다. 주변 빛을 활용해 섬유형 태양전지로 전력을 공급할 수 있음을 확인한 것이다.

연구팀은 전력 생산에 더해 유해가스 감지 기능도 구현했다. Ti-MOF 기반 섬유 구조에 메탄(CH₄) 센서 기능을 결합하고, 상온에서 1,000ppm 농도의 메탄가스에 반복적으로 노출했을 때 뚜렷한 감지 신호를 확인했다. 하나의 섬유형 소자가 에너지 생산과 환경 감지를 함께 수행할 수 있다는 설명이다.

이번 기술은 섬유형 태양전지의 제조시간을 줄이는 동시에 유연성과 내구성을 바탕으로 에너지 생산·환경 감지 기능을 결합했다는 점에서 의미가 있다. 향후 산업현장용 스마트 보호복과 실시간 환경감시 시스템, 기능성 의류, 사물인터넷(IoT) 기반 안전관리 기술 등에 활용될 가능성이 있다.

연구책임자인 송명관 KIMS 책임연구원은 “섬유형 태양전지의 염료흡착 시간을 기존 16시간에서 30분으로 단축하면서 기존에 근접한 발전 성능까지 확보했다는 점에 주목할 필요가 있다”며 “향후 연속 제조공정으로 기술을 확대해 스마트 의류와 웨어러블 전자기기용 전원의 생산성을 높이고, 다양한 MOF 소재의 유해가스 감지 특성을 분석해 자가발전형 센서의 실용화 가능성을 높일 계획”이라고 말했다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)