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KIST 한국과학기술연구원 Korea Institute of Science and Technology

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차세대 웨어러블 기기에 결합 섬유실 형상의 태양전지 기술 나온다 보기
제목 차세대 웨어러블 기기에 결합 섬유실 형상의 태양전지 기술 나온다
연구팀 에너지저장연구단 이중기, 리우구쳉 박사팀 조회수 936
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- 섬유실(Yarn type) 모양의 새로운 형태의 우수한 성능 지닌 태양전지 개발

- 휴대 간편, 신축성·유연성 뛰어나 차세대 웨어러블 기기 전원기술 활용 기대 
  


4차 산업혁명 시대 진입과 맞물려 웨어러블 전자기기 시장이 빠르게 성장하고 있다. 그에 따라 차세대 웨어러블 전자기기와 결합되어 전원을 공급해줄 수 있는 전력 공급 기기들에 대한 관심도 증가하고 있는데, 그중에서도 특히 휴대가 가능하고, 평상의복처럼 입을 수 있는 섬유 형상의 태양전지나 배터리, 마이크로 케이블 구조의 전력섬유 형태의 전력장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 최근 국내 연구진이 양극산화와 표면개질기술을 통해 섬유실 모양(Yarn type)의 전극형태를 지닌 신개념 염료감응형 태양전지 개발에 성공하여 주목 받고 있다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 이중기, 리우구쳉 박사 연구팀은 티타늄와이어의 양극산화 및 표면개질을 이용해 줄 모양의 태양전지기술을 개발하였다. 연구진은 여러 개의 섬유실로 이루어진 줄모양의 우수한 태양전지기술을 개발함으로서 기존 태양전지와 차별되는 용량, 수명, 전극형상을 지니고 디바이스 공간설계의 한계를 극복할 수 있는 형상 변형이 자유로운 고신축성을 지닌 염료감응형 웨어러블 태양전지를 개발했다. 

일반적으로 염료감응형 태양전지는 창호형태로 제작하여 건물이나 유리창에 
부착시켜 전기를 생산하여 제로에너지하우스나 에너지절약형 빌딩에 응용되어 에너지효율을 향상시키는데 사용되고 있다. 기존의 창호형 태양전지는 친환경적으로 웨어러블 전자기기에 전원을 공급할 수 있다는 장점은 있으나. 신축성 및 유연성을 지니고 세탁까지 가능한 특성을 지녀야하는 웨어러블 태양전지로 활용되기에는 한계가 있었다. 

KIST 연구진은 태양전지전극의 표면을 개질시켜 티타늄 산화층 간의 광전자이동거리를 최소화화고, 접촉면적을 증가시켜 전하 수집을 향상시키는 동시에 티타늄 산화층으로부터 입사된 빛을 수집·산란시켜 입사된 빛의 활용도를 끌어올렸다. 연구진이 개발한 ‘계층 구조의 티타늄금속 기반 광음극(photoanode)’를 이용한 섬유 형상 염료감응형 태양전지(Fiber-shaped dye-sensitized solar cells)는 8.128%의 우수한 광전 변환효율과 93.1%의 광전자집전효율을 보이면서 현재 나노구조체 기반 염료감응형 태양전지 연구 결과 중에서도 매우 우수한 성능을 보여주었다. 또한, 기존의 티타늄금속 와이어와 이번 연구를 통해 개질된 티타늄금속 와이어를 곡률반경에 따른 출력 변환 및 개회로전압을 비교한 결과, 연구진이 개발한 줄형상의 염료감응형 태양전지는 지름 1cm로 말아도 태양전지성능이 95% 이상 유지되는 것으로 확인하여 나노구조가 기계적으로도 안정한 유연특성을 지니고 있는 것을 증명하였다. 

KIST 이중기 박사는 “최근 4차 산업혁명시대가 본격화되면서 사람, 사물, 공간이 네트워크로 연결된 몸에 부착시켜 입는 형태의 전자제품이 등장하고 있다.”고 말하며, “이번 연구성과로 몸에 부착 가능한 섬유제품만큼의 유연성과 신축성을 확보했으며, 향후 차세대 웨어러블 기기와 결합된 전력공급의 형태로 활용되길 기대한다.”고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구사업 및 한-중(NRF-NSFC) 협력연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 물리, 응용 분야 국제 학술지인 ‘Nano Energy’(IF: 13.120, JCR 분야 상위 4.452%) 최신호에 온라인 게재되었다. 

* (논문명) Hierarchically structured photoanode with enhanced charge collection and light harvesting abilities for fiber-shaped dye-sensitized solar cells
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Guicheng Liu 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원  이중기 박사


<그림설명>

전하 수집 및 수확 능력이 향상된 계층 적 구조의 광양자를 이용하여 제작한 섬유 모양의 염료 감응형 태양전지 제작 모식도
<그림 1>
전하 수집 및 수확 능력이 향상된 계층 적 구조의 광양자를 이용하여 제작한 
섬유 모양의 염료 감응형 태양전지 제작 모식도 

Ti microridge/nanorod 로 표면 개질된 티타늄와이어를 포함한 계층구조 photoanode 로부터 전하수집, 집광성, 구조적 안정성이 향상된 FDSSCs의 성능 모식도.

<그림 2> 
Ti microridge/nanorod 로 표면 개질된 티타늄와이어를 포함한 계층구조 photoanode 로부터 전하수집, 집광성, 구조적 안정성이 향상된 FDSSCs의 성능 모식도.


(a, a′) 기존의 티타늄 와이어 (T-1), (b, b’, b′’) Ti microridge로 표면 개질된 티타늄 와이어 (T-2), (c, c’, c′’) Ti microridge/nanorod로 표면 개질된 티타늄 와이어 (T-3), (d, d’, d′’) Ti nanorod로 표면 개질된 티타늄 와이어 (T-4) 의 SEM image.

<그림 3>
(a, a′) 기존의 티타늄 와이어 (T-1), (b, b’, b′’) Ti microridge로 표면 개질된 티타늄 와이어 (T-2), (c, c’, c′’) Ti microridge/nanorod로 표면 개질된 티타늄 와이어 (T-3), (d, d’, d′’) Ti nanorod로 표면 개질된 티타늄 와이어 (T-4) 의 SEM image.

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