[Technical News]친환경 유기 태양전지, ‘물’로 만든다

2019.04.20(토)

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유기 전자소자 공정에 작업자 친화적 요소 더해져

기술이슈 | 김진성 기자 | 입력 : 2019.01.31

물-에탄올 혼합액에서 개발된 고분자 소재의 용해도 향상

유기 태양전지, 유기 트랜지스터와 같은 유기 전자소자는 유연하고 가벼운 특성, 값싼 인쇄공정 등의 장점을 지니고 있다. 그러나 소재의 소수성으로 인해 주로 클로로포름, 톨루엔 등의 매우 유해한 유기용매를 사용해야 제작할 수 있다. 그 유독성으로 인해 실제 상업화 공정에 적용될 수 없었다.

현재까지 개발된 고성능 전도성 유기 소재들은 물과 같은 친환경 용매에는 전혀 녹지 않으므로 용액공정이 불가능했다.

최근 연구된 친수성의 고성능 전도성 소재들도 용해도가 매우 낮아 공정이 어렵거나, 용해되더라도 소자 성능이 현저히 낮은 한계가 있다.

이에 유기 전자소자를 유독한 유기 용매공정 없이 친환경적으로 제작할 수 있는 길이 열렸다. 김범준 교수(한국과학기술원)와 우한영 교수(고려대학교) 연구팀이 공동연구를 통해 물 기반 친환경 공정기술로 만들 수 있는 고성능 유기 태양전지 및 유기 트랜지스터를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.

연구팀은 물과 에탄올로 구성된 혼합용액에 잘 녹는 친수성 고성능 전도성 유기 소재를 개발했다. 이를 기반으로 수용액 공정에서 유기 태양전지와 유기 트랜지스터를 개발했을 때 높은 광전변환 효율과 전하 이동도를 지니고 있었고, 뿐만 아니라 우수한 대기 안정성도 확인됐다.

개발된 소재는 올리고에틸렌글리콜 곁사슬을 포함한다. 연구팀은 이 소재가 순수한 물이나 순수한 에탄올에서 거의 녹지 않지만, 시중에 파는 술(럼주)과 같은 물-에탄올 혼합 용매에서 용해도가 130배나 향상되는 점에 착안했다.

특히 이 연구에서는 전 공정에 걸쳐 유독한 유기 용매를 전혀 사용하지 않았다. 박막 공정에서 반드시 필요한 유해물질 차단 장비(글로브 박스)가 불필요하고 작업자 친화적으로 소자 제작이 가능해졌다는 점이 주목할 만하다.

김범준 교수는 “이 연구는 지속가능한, 인체·환경 친화적인 공정 기술의 개발이라는 측면에서 매우 중요한 일”이라며 “앞으로 유기 전자소자 제작의 패러다임을 바꾸고, 기술의 실제 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 설명했다.

김 교수는 “실험이 모두 끝난 며칠 뒤에 우연히 발견한 사실은 바카디 럼주에서 전도성 소재의 용해도가 훨씬 높다는 사실이었다”며, “활용했던 순수 에탄올의 경우 상온에 조금만 둬도 전도성 소재가 석출되기 시작하는데, 바카디 럼주의 용액의 경우 수 일이 지난 후에도 소재들이 잘 녹아있는 것을 확인하게 됐다. 이러한 우연한 관찰로부터 향상된 용해도의 원인에 대해서 생각해보기 시작했고, 럼주에 포함된 물이 중요한 역할을 한다는 것으로 추정해 관련 물-에탄올 공용매 연구를 시작하게 됐다”고 밝혔다.

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