(왼쪽부터)이형우 교수, 오진우 교수, 한국재료연구원 송명관 박사, 김영권 박사과정생, 에너지융합기술연구소 우채영 박사후 연구원.(사진=부산대 제공)

부산대학교는 나노에너지공학과 이형우 교수 연구팀이 전량 건식기반 공정으로 제작 가능한 ‘코어-시스 구조 탄소나노튜브 섬유 전극(Core–Sheath Carbon Nanotube Yarn, CSCNY)’을 개발하고, 이를 섬유형 염료감응 태양전지(Fiber Dye Sensitized Solar Cells, FDSSC)에 적용해 우수한 성능을 구현했다고 27일 밝혔다.

기존 섬유형 염료감응 태양전지(FDSSC)는 유연성과 직물 집적 가능성에서 뛰어난 장점이 있지만, 고성능을 위해 백금(Pt) 기반 전극을 사용해야 한다는 점에서 가격·공정성·유연성 측면의 한계가 존재했다.

연구팀은 수직 배열된 탄소나노튜브(Vertical Aligned Carbon Nanotube, VACNT)를 합성한 후, 이를 건식 방사(Dry-spinning)해 섬유 형태의 단일 CNT 섬유를 제작하고, 다가닥 꼬임(Multi-ply) 및 CNT 필름 코팅을 통해 '코어-시스 구조'의 CSCNY를 개발했다.

이 전극은 내부 응력을 최소화하고 구조적 일관성을 확보함으로써, 기존 다중 꼬임 구조(Multi-ply CNY, MCNY)에서 발생하던 뒤틀림·풀림 현상을 효과적으로 억제하고 전기적 성능 및 기계적 내구성을 대폭 향상시켰다.

연구 결과, CSCNY 전극을 적용한 태양전지는 백금 기반 장치 대비 개방전압(Open Circuit Voltage, VOC) 및 충진률(Fill Factor, FF)이 모두 향상돼 최대 6.25%의 광전변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 기록했으며, 이는 기존 Pt 기반 FDSSC 대비 43% 이상 높은 수치다.

개발된 CSCNY 기반 태양전지는 유연하고 직물에 쉽게 통합될 수 있는 구조적 특성을 가져, 실제 섬유 구조물에 장착해 상용 전자기기 전원으로 사용하는 데 성공했다.

또한 450회 이상의 굽힘(Bending) 시험 후에도 초기 효율의 80% 이상을 유지했고, 200시간 이상의 장기 구동 테스트에서도 안정적인 출력을 지속적으로 유지, 높은 내구성과 신뢰성을 입증했다.

이형우 부산대 나노에너지공학과 교수는 “이번 연구는 전량 건식 공정만으로 고성능, 고유연성, 고내구성의 탄소 기반 태양전지 전극을 구현한 데 의미가 있다”며 “플렉서블 전자소자, 스마트 의류, 센서 통합형 전력 공급 모듈 등 다양한 분야로의 응용 확장이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 이형우 교수와 오진우 교수, 한국재료연구원 송명관 박사가 공동 교신저자, 부산대 나노융합기술학과 김영권 박사과정생과 에너지융합기술연구소 우채영 박사후 연구원이 공동 제1저자로, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 지원(중견연구, 글로벌선도연구센터, 국가과학기술연구회)을 받아 수행됐다.

이러한 연구 결과는 국제 저명학술지 『Small Structures』 7월 30일자에 게재됐다(논문 제목: All-Dry Fabricated Core–Sheath Carbon Nanotube Yarn Electrode for Fiber-Shaped Dye-Sensitized Solar Cells(섬유형 염료감응 태양전지용 전량 건식 제조 코어-시스 탄소나노튜브 섬유 전극)).