[첨단 헬로티]

웨어러블 디바이스가 한층 다양해지면서 배터리 기술에 대한 관심도 증가하고 있다. 특히 옷처럼 입을 수 있는 섬유 형상의 태양전지 또는 배터리, 전력섬유 구조의 전력장치에 대한 관심이 크다.

최근 국내 연구진이 양극산화와 표면개질 기술을 통해 섬유실 모양(Yarn type)의 전극 형태를 지닌 신개념 염료감응형 태양전지 개발에 성공하여 주목 받고 있다.

한국과학기술연구원(이하 KIST) 에너지저장연구단 이중기, 리우구쳉 박사 연구팀은 티타늄와이어의 양극산화 및 표면개질을 이용해 줄 모양의 태양전지 기술을 개발하였다. 이번 태양전지 기술은 기존 태양전지와 차별되는 용량, 수명, 전극형상을 지니고 디바이스 공간 설계의 한계를 극복할 수 있다는 것이 특징이다.

일반적으로 염료감응형 태양전지는 창호 형태로, 건물이나 유리창에 부착시켜 전기를 생산한다. 주로 제로에너지 하우스나 에너지 절약형 빌딩에 응용되어 에너지 효율을 향상시키는 데 사용된다.

이 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 태양전지 전극의 표면을 개질시켜 티타늄 산화층 간의 광전자 이동거리를 최소화화고, 접촉 면적을 증가시켜 전하 수집을 향상시키는 동시에 티타늄 산화층으로부터 입사된 빛을 수집·산란시켜 입사된 빛의 활용도를 끌어올렸다.

▲줄 모양의 태양전지 제작 모식도

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 광전자집전 효율을 보이면서 현재 나노구조체 기반 염료감응형 태양전지 연구 결과 중에서도 매우 우수한 성능을 보여주었다.

또한 곡률반경에 따른 출력 변환 및 개회로 전압을 측정한 결과 연구진이 개발한 줄 형상의 염료감응형 태양전지는 지름 1㎝로 말아도 태양전지 성능이 95% 이상 유지되는 것으로 확인하여 나노 구조가 기계적으로도 안정한 유연 특성을 지니고 있는 것을 증명하였다.

KIST 이중기 박사는 “이번 연구 성과로 섬유 제품에 가까운 유연성과 신축성을 확보했으며, 향후 차세대 웨어러블 기기와 결합된 전력공급의 형태로 활용되길 기대한다”고 밝혔다.