주요서비스 바로가기 안내


학과개요

HOME > 연구활동 > 연구과제 3
 

국내외 연구현황 및 전망

  • 미국의 산타바바라 소재 캘리포니아 주립대(UCSB), 로스앤젤레스 소재 캘리포니아 주립대(UCLA), 프린스턴대, 스탠포드대 등의 대학에서는 새로운 고성능의 공액고분자와 더불어 소자의 구조 변경을 통해 고효율의 플라스틱 태양전지에 대한 연구결과를 발표하고 있으며, Konarka Technology, Nanosys, Simens 등의 외국 기업체에서는 인쇄 기법을 이용하여 현재 3%대의 에너지 변환효율을 나타내는 인쇄형 플라스틱 태양전지를 개발하고 이의 사업화를 추진하고 있다.
  • 이광희 교수는 [그림 19]과 같은 이중 적층형 구조로 세계최고 효율(6.5%)의 플라스틱 태양전지를 개발, 발표(Science 317, 222, 2007)하였지만, 아직까지 효율과 수명 면에서 개선해야 할 점들이 많다. 한편 플라스틱 태양전지가 실제적인 소자에 사용되려면 플렉서블 태양전지의 장점을 최대로 살릴 수 있는 일체화된 에너지 저장장치가 필수적이다. 이러한 필요성으로 프린터블 에너지 스토리지 분야를 연구하는 국외의 그룹이 존재하지만 아직까지 플렉서블 태양전지와 일체화된 프린터블 에너지 스토리지를 동시에 구현하는 self-sustainable한 소자를 만들어 낸 곳은 없다. 그림16.인간 친화형 디스플레이의 소형화 및 인공망막
  • 최근 H. Nishide 교수가 발표한 flexible radical battery 개념(Science 319, 737, 2008)은 <그림 20>와 같은 유연성 태양전지와 일체화된 인쇄 가능형 에너지 스토리지의 실현이 가능함을 보여준다. 일반적으로 2차 전지 배터리의 충․방전 과정은 두 전극 표면에서의 전자와 counter-ion들와 이동에 의해서 이루어진다. 현재 유연성 리튬이온 배터리에서 사용되는 전극은 나노구조 형태의 무기물들을 사용하고 있으나, 전자와 counter-ion들의 이동이 무기물 내에서 느린 단점이 있다. 반면, 유기물 전극을 도입한 radical battery는 많은 전류량을 빠르게 충․방전할 수 있고 구부림도 무기물 전극을 이용한 배터리에 비해 더욱 용이하다. 유연한 휴대용 소자의 구동 에너지로 전지의 활용을 원활하게 하기 위해서는 유연성 전지와 유연성 스토리지의 융합이 필연적이다. 그림16.인간 친화형 디스플레이의 소형화 및 인공망막
  • 인간보조 장비에 태양전지와 배터리를 적용하려는 움직임은 예전부터 있어왔으나 실용적인 효율을 내는 태양전지는 모두 Si 등과 같은 비유연 재료로 만들어져 적용가능성만을 보여주는 정도의 연구가 이루어진다. 배터리의 경우도 충전시스템을 사용하지 못하는 외부활동시의 전력담당을 위해 전지 팩을 따로 휴대하는 형태의 시스템이 시도되었으나 이러한 전지 팩은 장착자의 활동을 제한해 사용자 친화적인 전원으로서는 한계를 지닌다. 따라서 얇고 유연하여 쉽게 몸에 입을 수 있으면서 충전시스템이 없는 실외에서 전원을 생산해주는 태양전지와 <그림 21>과 같은 플렉시블 배터리 결합시스템은 인간보조 장비의 이상적인 전원이 될 수 있다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 현재 플라스틱을 이용한 전자공학의 다양한 시도가 이루어지고 있는데, 실제 산업계에서는 당장의 산업화를 앞둔 OLED 의 뒤를 이어 플라스틱 태양전지가 그 뒤를 잇고 있음. 플라스틱의 장점인 인쇄방법에 의한 손쉬운 가공성으로 인해 기존의 태양전지 기술에 비해 훨씬 낮은 생산단가를 이룰 수 있어 상용화가 이루어질 경우 전 세계적인 대체에너지 개발에 중요한 사건이 될 것이다. 특히 플라스틱 태양전지는 상대적으로 낮은 세기의 광원 하에서도 효율의 저하가 없어 미약광을 이용하는 일상생활에 적용이 한층 손쉬울 것으로 예상되며, 유연성의 장점을 이용하면 <그림 21>과 같이 입을 수 있는 컴퓨터나 전자종이 등과 같은 모바일 장치에 적용 가능하므로 미래의 유비쿼터스 전자소자의 전원으로 자리 잡을 것이다. 같은 개념으로 플라스틱 소재를 이용한 에너지 스토리지 역시 미래를 바꿀 수 있는 중요한 기술이므로, 이들 두 가지 기술이 결합된다면 종래에는 생각할 수 없었던 다양한 장치 및 사용처들이 새로이 개발될 것으로 기대된다. 그림16.인간 친화형 디스플레이의 소형화 및 인공망막
  • 모바일 전원장치로의 활용 가능성을 확인하기 위해 평균전력을 한국의 일평균 태양광 조사시간 3.5시간 기준으로 효율 10%, 유효 면적 200 cm2 크기 (광에 수직입사면적만을 계산)의 조건으로 구해보면 낮 시간 야외활동만을 하는 사람기준으로 약 7000 mWh 로서 모바일 기기에 흔히 사용되는 AA크기 NiMH 배터리(2000 mAh) 3개 정도의 전력을 생산해 낼 수 있어 충분히 그 적용가능성은 높다고 할 수 있다.
  • 나아가서 유연한 소재에 의한 고효율의 전지 및 스토리지가 개발되면 인체에 적합하고 가벼운 휴대용 전지가 실현되어 인체보조 장치의 전원으로 활용 가능하기 때문에 삶의 질을 향상시키는 계기를 마련해 줄 것으로 기대된다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 이광희 교수는 이중 적층형 구조로 세계최고 효율(6.5%)의 플라스틱 태양전지를 개발, 발표하였지만, 광변환 효율 10% 이상으로 상용화를 이룬 기존의 무기물을 사용한 태양전지 기술들에 비해 아직까지 효율과 수명면에서 개선해야할 점들이 많다.
  • 국내의 상대적으로 우수한 플라스틱 태양전지 소자 제작 기술과 재정적 뒷받침을 통해서 본 광주과학기술원과 밀접한 관계가 있는 UCSB의 Prof. Heeger 등의 해외 유수의 학자들과의 공동연구를 수행하고, Prof. Nishide 교수의 <그림 22>과 같은 유연성 에너지 스토리지 관련 고분자 물질의 합성 기술의 교류 및 국내 도입이 이루어진다면, 스토리지가 결합된 플렉서블 태양전지의 개발에서 세계 최고의 기술을 달성할 수 있을 것이다.
그림16.인간 친화형 디스플레이의 소형화 및 인공망막
 

최종목표

플라스틱 태양전지와 플렉서블 에너지 스토리지를 일체화하고 이를 인쇄 제작법으로 구현함으로써 미래의 유비쿼터스 소자의 차세대 휴대용 에너지원으로 개발

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • 플라스틱 태양전지 고효율화(5년 연속목표)
  • 플렉서블 박막형 에너지 스토리지 단위소자 개발
2차년도
  • Nano Fluid Dynamics 이해를 통한 나노 박막 인쇄 기술 개발
  • 인쇄 기법을 활용한 태양전지 및 에너지 스토리지 개발
3차년도
  • 태양전지와 에너지 스토리지의 통합(Integration)
  • 태양전지 및 스토리지의 개별 소자의 Device 모델 완성
4차년도
  • 소자 패키징 물질의 Gas Barrier 특성이해를 통한 Oxidation 현상 이해
  • Oxidation 이해를 통한 전지시스템의 패키징 및 내구성 향상
5차년도
  • 단위소자형 태양전지소자의 광변환효율 >10%
  • 모듈형 태양전지의 광변환 효율 >7%
  • 스토리지 일체형 플라스틱 태양전지 수명 5년 확보

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • Low Bandgap 공액고분자 설계 및 합성
  • Organic/Metal Oxide 계면 연구
  • Polyelectrolyte 및 Polymer Radical 배터리 단위소자 개발
2차년도
  • 나노박막의 형성에서 Solvent의 영향 분석
  • 저점도 유기용액 Ink의 적절한 인쇄법 탐구
  • 인쇄기법을 통한 유기태양전지 및 배터리의 제작
  • 속도, 온도, 점도등 인쇄 Parameter에 따른 Device 특성 평가
  • 인쇄용 공액고분자의 최적 합성
3차년도
  • Transparent Electrode 연구
  • Solar Cell 의 부하특성을 감안한 스토리지 연결방법 연구
4차년도
  • 소자 패키징 물질의 Gas Barrier 특성 이해를 통한 패키징법 연구
  • 스토리지 통합형 Solar Cell 시스템의 Ageing Test 방법 확립
  • 패키지내의 잔류 수분 흡수층을 도입하는 패키징법 연구
5차년도
  • 최종 결과물들의 조합으로 단위소자 광변환효율 10%이상
  • 모듈 광변환효율 7% 이상 달성
  • 소자수명 5년 달성(가속 수명 테스트)

국내외 연구현황 및 전망

  • 태양전지 및 박막 에너지 저장 소자 제작은 이광희 교수 주관으로 진행하며 공액고분자와 박막전지용 재료는 이재석 교수와 Nishide 교수가 개발을 주관한다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 태양전지 및 박막 에너지 저장 소자 제작은 이광희 교수 주관으로 진행하며, 태양전지용 공액고분자는 이재석 교수가 개발을 담당하고 박막전지의 개발은 Waseda 대학의 Hiroyuki Nishide 교수가 주관한다.
  • 이광희 교수의 주관으로 진행된 박막소자의 특성은 다시 개발된 고분자들의 성능평가 및 공정성 향상을 위하여 피드백으로 제공된다.
  • Organic Radical Battery 분야의 세계적 석학인 Nishide 교수 지도로 박막형 배터리의 연구를 시작하며 관련된 핵심물질을 공급받아 대면적 플라스틱 태양전지에 적용하는 것은 소자 개발팀에서 담당한다.
  • 태양전지용 고성능 공액고분자의 개발을 이재석 교수 주관으로 진행한다.
  • 기존 글로벌연구실사업(GRL) 과제로 현재 공동 연구를 수행하고 있는 UCSB 의 Nobel 상 수상자인 Alan J. Heeger 교수를 통해 최신정보를 얻고 이를 물질개발 및 소자개발에 적용하여 공동연구의 효율성을 높인다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 이광희 교수는 플라스틱 태양전지에서 세계 최고의 효율 기록을 가지고 있으며(세계 최고 효율(6.5%)의 플라스틱 태양전지를 개발, 발표(Science 317, 222, 2007)하였으며, 공동연구자인 와세다 대학의 Nishide 교수는 플렉서블 에너지 스토리지 관련 연구로 세계적인 과학자로 알려져 있음(Flexible Radical Battery 개념, Science 319, 737, 2008) 이 두 그룹은 전도성 관련 고분자 연구로 Nature 및 Science에 수편의 논문을 발표한 우수한 연구 그룹이다.
  • 기능성 고분자를 합성하는 이재석 교수 그룹으로부터 우수한 전도성을 갖는 고분자 물질의 합성 이루어지면, 최종적으로 스토리지가 결합된 플렉서블 태양전지의 개발에서 세계 최고의 기술을 달성할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 노벨상 수상자인 동시에 광주과학기술원의 히거신소재연구센터장이신 Alan J. Heeger 교수와의 공동연구를 수행할 예정이어서 세계적인 연구가 수행될 예정이다.
  • 본 세부과제는 유연성을 갖는 유기태양전지의 소재 및 소자 연구와 유연성을 갖는 스토리지 소재 및 소자의 연구로 구분하여 구성하며, 스토리지가 결합된 유연성 태양전지’를 개발하기 위해태양전지 및 스토리지 소자와 각 소자와 관련된 물질들에 대한 연구를 초기에는 독립적으로 추진하며 후반기에는 두 가지 소자의 집적에 관한 연구를 수행하고있다.
  • 태양전지 효율의 개선을 위해서는 고성능 공액고분자의 개발 및 복합재 연구가 필수적이므로 GIST의 소재의 합성 연구진을 중심으로 집중적인 지원을 병행하여 박사급 연구원을 확보할 것이며, 상대적으로 우수한 플라스틱 태양전지 등의 GIST의 소자 제작 기술을 중심으로 해외의 우수한 태양전지 관련 고분자 물질 및 소자의 정보를 확보할 것이다. 한편, 공동연구자인 Waseda 대학의 Nishide 교수를 통하여 플렉서블 에너지 스토리지 관련 고분자 물질의 합성 기술교류 및 국내 도입이 이루어지면, 최종적으로 스토리지가 결합된 플렉서블 태양전지의 개발에서 세계 최고의 기술을 달성할 수 있을 것이다.

국내외 연구현황 및 전망

  • 인쇄형 플라스틱 태양전지 및 관련 소자에 관해서는 이광희 교수 연구단이 중심이 되어 연구·개발을 담당하고, 이와 동시에 유기태양전지분야에서 명성이 높은 미국의 산타바바라 소재 캘리포니아 주립대(UCSB)의 Alan J. Heeger교수 (국제공동연구 의향서 첨부) 및 미국의 이 분야 산업화의 선두주자인 Konarka Technology 등과의 기술 교류를 수행하고있다.
  • 태양전지 관련 고성능 공액고분자 개발 및 플렉서블 에너지 스토리지용 고분자 물질 개발과 관련해서는 이재석 교수 주관 하에 radical polymer에 의한 스토리지 소자 개발로 유명한 일본 와세다대학교의 Nishide 교수와의 국제 협력을 수행하고있다.

플라스틱 태양전지의 효율향상

  • 태양광의 흡수율 개선을 위해 1.5 eV 이하의 낮은 밴드갭을 갖는 공액고분자 개발
  • 전지의 생성전압(Voc)을 향상시키기 위한 낮은 HOMO 준위(<-5.4 eV)의 공액고분자 개발
  • 이중 또는 삼중 적층형 태양전지 방식을 이용하여 1.5 V 이상의 높은 Voc 값 유도
  • 고효율 적층형 소자구현을 위한 Organic/Metal Oxide 계면의 특성개선
  • 금속 산화물 및 신규 고분자 소재를 이용한 고효율화
그림16.인간 친화형 디스플레이의 소형화 및 인공망막

플라스틱 태양전지 기능성 향상

  • 소자 패키징 물질의 Gas Barrier 특성이해를 통한 Oxidation 현상 이해
  • Anti Oxygen/Moisture 패키징 개발을 통한 태양전지수명 향상
  • 인쇄공정성 확보를 위한 소자 구조의 개선
  • 전도성 고분자를 인쇄하여 태양전지의 투명전극으로 활용; 투명도 85%, 전도도 ~1000 S/cm
  • 태양전지의 각 층을 프린팅 기법으로 제작하는 태양전지 인쇄기법 개발
  • 단위소자의 모듈화 방법 확립 및 모듈단위의 성능평가 시스템 확립

 인쇄 공정을 통한 고밀도 고용량화 개발

  • 고밀도 라디컬 그룹을 갖는 유기고분자 개발
  • 유기 라디컬 배터리 단위 셀 제작 기술 개발
  • 대면적 인쇄 기법을 통한 박막 제조 기술 개발
  • 적절한 유기용매 및 코팅조건을 통한 Morphology 등이 배터리 특성에 미치는 영향 분석
  • 인쇄형 플라스틱 전지와 적층을 위한 Metal/Metal Oxide Electrode 선택에 대한 연구
  • 고밀도 장시간 방전을 위한 전하축적 및 Self-Discharge Mechanism 연구
  • 전기화학적인 방법을 통한 Battery 특성 Parameter의 추출 및 Model화

국내외 연구현황 및 전망

본 연구는 화학과 물리학분야 뿐만 아니라 전자공학 등 현대 산업계의 근간이 되고 있는 다양한 연구 분야가 밀접하게 연계된 학제간 연구를 통해서만 최종 목표를 달성할 수 있는 연구과제여서 참여하는 대학원생들의 안목을 넓혀줄 뿐만 아니라 나아가 산업현장에서 바로 적용할 수 있는 실용적 연구를 직접 수행하기 때문에 인력 양성 효과는 그 어느 분야보다도 크다 할 수 있다.

  • 유기태양전지에 사용되는 공액고분자의 에너지 밴드갭 조절 및 전기전도도 조절 원리에 대한 이해를 높일 수 있어 향후 플라스틱 일렉트로닉스 발전에 크게 기여한다.
  • 금속과 유기물 혹은 유기물과 금속산화물의 계면에서 일어나는 현상에 대한 이해를 높여 줄 수 있으며, 특히 나노 수준의 박막에서 일어나는 계면에서의 전하주입 및 에너지 정렬과 같은 문제를 이해하는데 일조할 것이다.
  • 대면적 소자 제작 기술은 나노 크기에서 일어나는 현상을 거시적인 세계 및 제작 방법과 연계해야 되는 과정이 필요한 작업이므로 앞으로도 많은 관심과 집중적인 연구가 이루어질 나노 과학/기술에 대한 사회적인 관심을 유도할 수 있다.
  • 스토리지 관련 물질로 사용되는 radical polymer나 polyelectrolyte 내에서의 전하이동과 self-discharge 원리에 대한 이해를 높여 관련 고분자의 합성 기술 및 관련 학문 및 기술발전에 기여한다.

태양전지와 스토리지가 융합된 플렉서블한 소자의 개발은 미래의 휴대용 유비쿼터스 소자의 구동 에너지로 활용되며 이는 관련 전자소자 개발에 획기적 전환점을 마련해줄 것으로 기대된다.

국내외 연구현황 및 전망

차세대 성장동력 발굴을 통한 경제발전에 기여

  • 차세대 성장동력 사업으로 디스플레이 분야의 최근 국내외 연구개발은 플렉서블 디스플레이에 집중되고 있다. 이에 스프레이 용액 공정을 이용한 대면적 플렉서블 AM-OLED 개발은 조기기술 확보 및 시장 형성 기여를 기대할 수 있다.
  • 새로운 고성능, 저전압 디스플레이로서의 실용화 및 소형 전자제품용 디스플레이 등의 상용화는 국내 및 국외에서의 시장 점유율 증대에 의한 국가 경쟁력 상승효과를 가져온다.
  • 전 세계적으로 매년 약 20만명 이상이 눈에 장애를 입고 있는 현 상황에서 Bionic eye의 개발 및 상용화는 엄청난 경제적 효과를 가져올 수 있을 것으로 전망된다.

국내외 연구현황 및 전망

미래 신산업창출을 위한 핵심 원천기술 확보.

  • 플라스틱 태양전지는 반도체와 같이 국가 주도형 수출산업으로 성장될 수 있으며 국내 화학 산업의 새로운 고부가가치 상품으로 성장할 것이다. 아울러 원재료인 화학합성에서 모듈설치 까지의 새로운 산업 value chain을 형성에 기여할 것이다.
  • 플라스틱 태양전지 소재 개발을 위한 화학 산업뿐만 아니라 대면적 소자 제작 기술을 위한 관련 산업체와의 긴밀한 협력을 통한 기술 이전 및 전문인력 공급으로 저가형 태양전지 산업화에 기여할 것이다. 이에 적합한 대면적 소자 제작업체로 display 산업등을 생각할 수 있다.

친환경적 유비쿼터스 에너지원

  • 국가 경제적으로 저가형 태양전지의 보급을 통한 각 가정 및 일반 사무실 등에 독립전원 시스템 도입으로 화석 연료 사용을 줄여 온실가스 배출 부담금을 줄일 수 있디.
  • 국가의 전략 사업인 신재생에너지 개발 사업에 기여함으로써 궁극적으로 에너지 자립의 기반이 될 것이다.
  • 플라스틱 태양전지의 낮은 생산단가, 유연성 및 투명성 등의 특징은 태양전지의 대중화를 유도할 것이다.

태양전지/스토리지 일체형 고효율의 전지의 개발로 인체 보조장치의 휴대용 전지의 효율 향상에 의한 인간 삶의 질을 향상 시킬 수 있다.

카피라이트