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고민재 화학공학과 교수, 종이접기+3D프린팅으로 태양전지 집적도를 높이다

SDGs-13

작성자

남궁휘

작성일

2020-11-25 23:46

조회

782

페로브스카이트 태양전지 모듈, ‘ACS 나노'에 게재

한양대 고민재 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 이필립 박사, 조만식 박사 공동 연구팀이 종이접기 기술*(오리가미, 키리가미)을 적용해 집적도와 신축성을 동시에 높인 페로브스카이트^** 태양전지 모듈을 개발하였다. 연구팀의 모듈은 기존 신축성 소자와 비교해 100%에 가까운 집적도 및 시스템 신축성을 동시에 달성했다는 점에서 큰 의미를 가진다고 평가받는다.

과거, 태양전지 모듈을 구부러지는 구조체로 연결하면 연결부가 차지하는 면적 때문에 신축성과 유연성은 좋지만 전지 집적도가 떨어지는 한계가 있었다. 그러나 연결부를 줄여 전지 집적도를 높인다면 신축성이 떨어지는 딜레마가 있다.

이러한 딜레마를 해결하기 위해 연구팀은 종이접기에서 아이디어를 착안하여 연결부를 최소화시켰다. 또한 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린터 공정과 융합하여 신축성을 가지는 태양전지 연결부를 제작한 ‘페로브스카이트 태양전지 모듈’을 개발했다.

3D(3차원) 프린터로 연결 구조물을 찍어 낸 후, 연결부를 연속적으로 접어 연결구조 길이를 최소화하여 좁은 면적에도 태양전지 모듈을 빼곡히 배열할 수 있다. 이렇게 만든 페로브스카이트 태양전지 모듈은 5배로 늘여도 성능이 떨어지지 않았다. 잡아당겼다 놓기를 반복하는 1,000번의 인장시험에서도 초기 기능이 유지됐다. 이 접근법을 활용하게 되면 3차원 배치에 따라 집적도 및 신축도를 한계 없이 늘릴 수 있다.

해당 기술은 태양전지 외에도 센서, 액츄에이터 등 다양한 전자 소자에 적용이 용이하고 3차원 설계에 따른 다양한 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다. 의류, 패션 분야 적용에 강점을 갖는 3D 프린팅 기술을 활용해, 웨어러블 소자와 같은 생활 밀착형, 고부가 가치 사업 분야로도 확장할 수 있다.

이번 연구결과는 나노 분야 미국화학회 학술지인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.903, JCR 분야 상위 5.74%,10월 4일자)에 게재되었다.

* 종이접기 기술
- 오리가미(Origami) : 한 장의 종이를 접어 개서 다양한 형태의 모양을 만드는 종이접기
- 키리가미(Kirigami) : 접은 종이를 절단해 여러 가지 모양을 만드는 예술

^** 페로브스카이트
빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질

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