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[Technical News 2] 제작공정 줄인 새로운 인쇄 기술 개발

비용절감, 유기태양전자 상용화 앞당기나

[Technical News 2] 제작공정 줄인 새로운 인쇄 기술 개발 - 다아라매거진 기술이슈
연구팀이 개발한 단순한 구조의 인쇄 적층형 유기태양전지 모식도


미래창조과학부(장관 최양희)는 “고효율의 인쇄형 적층 유기태양전지 제작 공정을 크게 줄인 새로운 인쇄 기술을 개발했다”고 밝혔다.

이광희 교수 연구팀(광주과학기술원)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 등의 지원으로 연구를 수행했으며, 재료과학 분야 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈(Advanced functional materials)에 게재됐다.

단순한 인쇄 공정을 통해 적층형 유기태양전지를 개발함으로써 상용화의 가장 큰 걸림돌인 인쇄 소자 효율을 크게 향상시켜 저가 인쇄 공정을 통한 유기태양전지 개발의 가능성을 제시한 것이어서 주목받고 있다. 연구팀은 고분자 전해질인 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI)와 광활성 물질을 혼합한 나노혼합물을 적층형 유기태양전지에 적용했다. 나노혼합물은 구성하는 물질들 간의 표면 에너지 차이로 인해 자발적인 수직적 상 분리가 발생했다. 그로 인해 기능층(PEI)과 광활성층을 한 번의 인쇄 공정으로 형성할 수 있었다.

일반적인 단일층 유기태양전지는 양 전극을 제외하고 3개 이상의 주요 구성층들로 이루어진다. 2개의 단일층 유기태양전지를 쌓은 형태인 적층형 유기태양전지는 6개 이상의 주요 구성층들이 필요하고, 이를 제작하기 위해 6번 이상의 공정 단계가 필요하다. 반면 연구팀의 나노혼합물의 자가 조립 현상을 이용하면 첫번째와 두번째, 네번째와 다섯뻔째 공정이 각각 한 번의 인쇄 공정으로 가능하다. 때문에 총 4번의 공정 단계로 적층형 유기태양전지를 제작할 수 있어 제작 단가가 크게 절감할 수 있다.

기능 물질(PEI)의 분자량과 나노혼합물 상 분리 현상의 관계를 규명했다. 정적인 코팅방식의 인쇄 공정에서 기존에 사용되던 고분자량 PEI는 광활성 물질과 공간적인 방해가 존재해 나노혼합물의 효과적인 상 분리가 어려운 것을 확인했다. 이를 극복하기 위해 기존의 고분자량 PEI를 저분자량 PEI로 대체해 PEI와 광활성 물질 간의 공간적인 방해를 완화시켜 나노혼합물의 자발적인 상 분리를 유도했다.

나노혼합물을 이용해 제작된 적층형 유기태양전지는 세계에서 인쇄 공정으로 제작된 적층형 유기태양전지 중 가장 단순한 구조를 가진다. 또한 성능적인 측면에서는 9.1%의 높은 광변환 효율을 달성해 유기태양전지 상용화를 위한 효율 기준치인 비결정성 실리콘 기반의 무기태양전지 효율(최대 약 10%)에 근접하는 성과다.

나노혼합물의 자발적인 상 분리를 이용하는 새로운 인쇄 기술은 유기태양전지뿐만 아니라 이와 유사한 소자 구조를 가지는 미래의 구부러지는 전자 기기에 쓰일 유기 전계효과 트랜지스터와 OLED 면광원 등 전반적인 유기 전자소자의 제작 공정에도 적용될 수 있다.

이광희 교수는 “이번 연구성과는 인쇄 기법으로 고효율의 적층형 유기태양전지 생산 공정 단순화로 비용절감 될 것이며, 유기태양전지 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것”이라고 기대했다.
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