4-Amino-TEMPO를 활용한 섬유형 전자소자.(사진=재료연 제공)

한국재료연구원(KIMS, 재료연) 나노표면재료연구본부 에너지전자재료연구실 김재호, 송명관 박사 연구팀이 국립창원대학교 안철진 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 광촉매 특성을 가진 4-Amino-TEMPO 유도체를 개발하고 이를 이용해 고성능 및 안정성을 띤 섬유형 태양전지와 섬유형 유기발광 다이오드를 제작하는 데 성공했다고 14일 밝혔다. 개발한 4-Amino-TEMPO 유도체는 섬유형 태양전지 및 섬유형 유기발광 다이오드의 성능을 동시에 향상할 수 있다는 특징을 가진다.

기존 소재는 합성 공정과 대량생산이 어렵고 소재를 이용한 소자의 재현성이 좋지 않다는 단점이 있었다. 본 연구팀이 개발한 4-Amino-TEMPO 유도체는 합성공정이 간단하고 대량 합성이 가능할 뿐 아니라 해당 소재를 이용해 섬유형 태양전지 및 섬유형 유기발광 다이오드를 제작해 두 전자소자의 성능을 20% 이상 향상할 수 있다.

연구팀은 섬유형 태양전지의 효율 상승을 위해 광촉매 특성을 갖는 소재를 설계하고 이를 합성했다. 합성한 소재는 공기와 수분에 대단히 안정해 이를 이용해 고성능의 섬유형 태양전지와 섬유형 유기발광 다이오드를 제작할 수 있다. 또한 세탁 특성과 기계적 충격 등에도 매우 우수한 특성이 있음을 확인했다.

4-Amino-TEMPO 유도체는 리튬배터리에서의 고체전해질, 촉매제 및 태양전지, 유기발광 다이오드 등 다양한 전자소자 분야에서 활용할 수 있다. 매우 간단한 공정만으로 대량생산이 가능하고 무엇보다 가격이 저렴하다는 게 기술의 차별성이다. 또한 한 가지 기능만이 아닌 다기능성을 부여할 수 있어 다양한 전자소자 분야에 널리 활용될 수 있다. 4-Amino-TEMPO 유도체는 100ｇ당 100만 원 미만의 낮은 가격으로 대량생산이 가능하다. 본 기술을 활용해 국산화 및 대량화를 앞당길 경우 전자소자 기업에서의 파격적인 경제적 효과를 기대할 수 있다.

연구책임자인 재료연 송명관 책임연구원은 “다기능성 소재를 활용하면 전자소자 분야에 성능향상 및 안정성을 증가시킬 수 있다”며 “향후 에너지 생산 및 저장 소재뿐만 아니라 센서 소재 등 다양한 분야에 적용이 기대된다”고 말했다.

본 연구 성과는 과기부의 지원으로 재료연 기본사업(섬유타임의 에너지 생산 및 저장 플랫폼 개발), 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다. 또한 연구결과는 머티리얼즈투데이 에너지(Materialstoday ENERGY)에 4월 22일자로 게재됐다. 현재 연구팀은 수년 내 양산화를 목표로 4-Amino-TEMPO 유도체를 유기 태양전지, 페로브스카이트 태양전지, 유기발광 다이오드 등에 활용할 수 있는 후속 연구를 지속해서 진행하고 있다.