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지난호





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특집

재료 세상의 슈퍼히어로

인공광원을 이용한 전력 생산 및 IoT 소자 융합

작성자 : 임동찬 ㅣ 등록일 : 2021-10-21 ㅣ 조회수 : 578 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.30.030

저자약력

임동찬 박사는 2007년 독일 콘스탄츠 대학에서 클러스터 물리학으로 이학 박사 학위를 취득했고, 2007년부터 한국재료연구원 표면재료연구본부에 재직 중이다. 에너지ㆍ전자 재료 및 소자 기초연구 및 나노기술의 실용화를 위한 대면적 모듈 및 이종 소자 융합화 연구를 수행하고 있다. (dclim@kims.re.kr)

Artificial Light Driven Power Generation and IoT Device Convergence

Dong Chan LIM

This special issue introduces artificial photovoltaic cell technology as a new vision of solar cells that can generate electricity using an indoor lighting source. In particular, organic artificial photocell materials and device technologies are described. Basic driving mechanisms and material-process technology for high-efficiency artificial photovoltaics are introduced; furthermore, actual application research cases, such as wireless IoT sensor driving, are described. Wireless power management technology is very important to establish future social values such as a ubiquitous society and a carbon-neutral society. Instead of placing an object in a place where power can be supplied, power should be supplied by necessity anytime and anywhere, thereby maintaining a more effective global energy balance and rapidly implementing a society with zero carbon emission. If Indoor light sources, which are energy sources that are discarded, pia identification can be used, they can efficiently maximize energy use in architectural spaces such as homes and offices and contribute much in terms of the environment. 

들어가며

특집호에서는 태양전지의 새로운 비전으로 실내 조명 즉, 인공광원을 에너지원으로 사용하여 전력을 생산할 수 있는 인공광전지 기술, 특히 유기계 인공광전지 소재 및 소자 기술에 대해 서술하였다. 기본적인 구동 메커니즘 및 인공광전지 고효율화를 위한 소재-공정 기술을 소개하였으며, 더 나아가 wireless IoT(사물인터넷) 센서 구동과 같은 실제 응용 연구 사례를 설명하였다. 유비쿼터스 사회, 탄소중립사회 등 미래 가치관 확립을 위해서는 wireless power management 기술이 매우 중요하다. 전력 공급이 가능한 곳에 사물을 놓는 것이 아니라 언제 어디서나 필요해 의해 전력 공급이 가능해야 하며, 이를 통해 지구의 에너지 밸런스를 보다 더 효과적으로 유지하고, 탄소제로의 사회를 빠르게 구현할 수 있다. 실내광원은 피아식별을 위한 용도 이외에 버려지는 에너지원으로, 이 광원을 활용할 수만 있다면 가정이나 사무실과 같은 건축 공간에서의 에너지 사용 효율성을 극대화할 수 있으며, 환경적인 측면에서도 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

서 론

2021년 현재 국내외 가장 큰 이슈 중 하나는 급격한 기상이변에 따른 홍수, 가뭄과 같은 물리적 재해뿐만 아니라 이에 따른 인명 및 경제적 손실일 것이다. 높은 화석연료 비중과 제조업 중심의 산업구조를 가진 우리나라도 최근 30년 사이에 평균 온도가 1.4℃ 상승하며 온난화 경향이 더욱 심해졌다. 국제사회는 기후변화 문제의 심각성을 인식하고 이를 해결하기 위해 선진국에 의무를 부여하는 ‘교토의정서’ 채택(1997년)에 이어, 선진국과 개도국이 모두 참여하는 ‘파리협정’을 2015년 채택했고, 국제사회의 적극적인 노력으로 2016년 11월 4일 협정이 발효됐다. 파리협정의 목표는 산업화 이전 대비 지구 평균온도 상승을 2℃보다 훨씬 아래(well below)로 유지하고, 나아가 1.5℃로 억제하기 위해 노력해야 한다는 것이다. 지구의 온도가 2℃ 이상 상승할 경우, 폭염 한파 등 보통의 인간이 감당할 수 없는 자연재해가 발생한다. 상승 온도를 1.5℃로 제한할 경우 생물 다양성, 건강, 생계, 식량안보, 인간 안보 및 경제성장에 대한 위험이 2℃보다 대폭 감소한다. 지구온도 상승을 1.5℃ 이내로 억제하기 위해서는 2050년까지 탄소 순배출량이 영(0)이 되는 탄소중립사회로의 전환이 필요하다. 여기서 탄소중립이란 인간의 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수, 제거해서 실질적인 배출량이 0(Zero)가 되는 개념이다. 즉 배출되는 탄소와 흡수되는 탄소량을 같게 해 탄소 ‘순배출이 0’이 되게 하는 것으로, ‘넷-제로(Net-Zero)’라 부른다.1)

문재인 정부는 2020년 10월 28일 국회 시정연설에서 2050 탄소중립 계획을 처음으로 천명하고, 경제·사회의 과감한 녹색전환을 이루기 위한 그린뉴딜 정책을 추진하였다. 스마트 그린 산단, 그린 리모델링, 그린 에너지, 그린 스마트 스쿨, 친환경 미래 모빌리티를 그린뉴딜 5대 대표과제로 선정하였다. 특히 녹색도시 전환, 제로에너지빌딩, 신재생에너지 보급 확대, 스마트 그린산단 등 모든 그린뉴딜 계획에서 태양광 산업의 비중이 중요해지고 있다. 태양광 분야에서는 주민참여형 이익공유사업 도입, 농촌산단 융자지원 확대, 주택상가 등 자가용 신재생설비 설치비 지원 등 사업이 진행되며, 특히 BIPV와 수상 태양광, 지붕형 태양광 등 육상 태양광에 비해 다소 주목도가 떨어졌던 태양광 산업이 폭발적으로 성장할 것으로 기대되고 있다. 그러나 태양광 설비용량 대비 발전효율이 크게 떨어져 여전히 기술적 개선이 시급한 것으로 나타나고 있다.

국내 에너지 소비 형태를 반영할 경우, 도시 집중형 생산 기반을 가진 현재 도시에서 필요로 하는 에너지원을 신재생에너지로 대체하는 전략은 무엇보다 중요하다. 특히 에너지원 공급 시설을 건설하기 위한 공간이 부족한 도시의 경우 도시의 빌딩을 적극 활용할 수 있는 새로운 개념의 Building Integrated PV (BIPV) 시스템을 적용할 필요가 있다. 산업통산자원부는 2015년 7월 29일 ‘공공기관 에너지이용합리화 추진에 관한 규정의 개정·고시를 통하여 2020년부터 공공 건축물 신축 시 ‘제로에너지빌딩’을 의무화한다고 밝혔다. 한편, 최근 IoT 기반 무선 센서, 스마트폰 및 태블릿 PC를 포함한 저전력구동 실내 전자장치의 사용이 급격히 증가함에 따라 반영구적으로 사용 가능한 에너지원에 대한 관심이 늘어나고 있다. 이런 맥락에서 조명 기능 이외에 버려지는 실내광 활용을 통한 광전변환기술은 새로운 에너지 자원활용기술이 될 수 있다. 실제로 건물 내 전력 소비에서 실내광이 차지하는 비율이 상당히 높으며 약 30%만 재활용하여 전력생산을 할 수 있다면 비용 절약 등에서 큰 효과가 기대된다. 현행 실리콘 기반의 1세대 태양전지는 불투명한 특성 때문에 창문형 BIPV 적용이 어렵고 또한 저조도에서 광흡수 능력이 상대적으로 낮아서 흐린 날 혹은 실내조명과 같이 빛의 세기가 약한 경우(약 1,000 룩스 이하)에서는 전기 생산이 어렵다고 알려져 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 다양한 태양전지 및 광전 변환 소재/소자 기술이 테스트되고 있으나 BIPV 및 실내광에 모두 적용 가능한 효율적인 시스템으로 유기계 광활성 소재를 이용한 태양전지가 주목을 받고 있다. 본 논문에서는 인공광원을 이용한 전력 생산에 필요한 소재 및 소자 물리 기술을 기술하고 더 나아가 IoT 소자 등에 융합화하는 기술을 소개하고자 한다. 참고로 태양빛을 이용한 전력 생산, 조명과 같은 인공광을 이용하여 전력을 생산하는 전지를 각각 태양전지 및 인공광전지라는 용어를 사용하고자 한다.

유기태양전지 구동 메커니즘

유기태양전지(organic photovoltaic, OPV)는 용어에서 나타나듯이 태양 빛을 흡수하여 전력을 생산할 수 있는 유기반도체를 주소재로 이용하는 태양전지이며, 대표적인 유연 박막형 태양전지이다. 유기박막태양전지 연구는 1986년 C. W. Tang에 의해 처음 시작된 이래, 빛을 흡수하여 전하(정공과 전자)를 생성하는 전도성 고분자와 플러렌(C60)의 복합재(광활성층)에서 Photo-induced Charge Transfer 현상에 대한 연구가 1992년 미국 UCSB (Univ. California Santa Barbara)의 A. J. Heeger 교수에 의해 발표된 후 현재까지 활발한 연구가 진행되고 있다.2)

유기태양전지는 광활성층의 Photo-induced Charge Transfer 현상을 기본원리로 하고 있는데, 광흡수 소재인 전도성 유기물 반도체는 [그림 1]과 같이 에너지 준위 차이(HOMO-LUMO 차이)에 해당하는 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성한다. 생성된 전자는 들뜸 현상(그림 1의 1번 과정)에 의해 LUMO 레벨로 이동을 하였다가 전가 친화도가 우수한 전자 받개 소재(대표적으로 플러렌)에 의해 2번, 3번 과정을 통해 n형 베리어 소재층으로 이동하게 된다. 한편 광흡수층의 HOMO층에 남아 있는 정공은 에너지 균형을 맞추기 위하여 p형 베리어 소재층으로 이동하게 된다. 베리어 박막층으로 이동한 전자와 정공은 오른쪽 그림과 같이 각각의 베리어 박막의 HOMO-LUMO 특성이 상이하여 특정 방향으로의 선택도를 가지며 이동하게 된다. 전자의 경우 cathode 전극에 이르게 되고, 반대로 정공은 anode 전극에 위치하게 되어 전체 소자가 구동되게 된다. 태양전지 소자를 구성하는 소재는 다음과 같다.

Fig. 1. Principle of Organic Photovoltaics : charge carrier generation and separationFig. 1. Principle of Organic Photovoltaics : charge carrier generation and separation

가. 광활성층 소재: 빛을 흡수하여 전하를 생성할 수 있는 전도성 고분자 또는 단분자 소재(p형 소재, 전자주개(donor) 소재로 부르기도 함)와 함께, 생성된 전하의 분리를 도와주는 n형의 플러렌 유도체 및 기타 n형 소재(무기물, 유기물 포함, 전자받개(acceptor) 소재로 부르기도 함)로 구성된다.

나. 베리어층 소재: 광활성층에서 생성된 전하(전자 및 정공)의 양쪽 전극으로의 선택적 이동을 도와주는 층으로, 대표적으로 전자의 이동을 활성화시킴과 동시에 정공의 이동을 억제하는 ZnO와 같은 n형 무기 박막 소재와, 반대의 역할을 하는 PEDOT:PSS와 같은 p형의 유기 박막 소재가 사용되고 있다.

다. 전극층 소재 1: 전극은 양극과 음극으로 구성되어 있으며, 전극층 1은 기판(유리 기판 또는 플라스틱 기판)상에 빛을 흡수할 수 있도록 투명성과, 전기가 잘 흐를 수 있도록 하는 얇은 투명 전도성 박막이 코팅되어 있다.

라. 전극층 소재 2: 유기 태양전지의 베리어층 위에 직접 코팅되는 층으로 일반적으로 금속(Ag, Cu, Au) 전극이 코팅되어져 있다. 그러나 최근에는 이러한 불투명한 금속 전극 대신에 금속산화물/금속/금속산화물 다층 박막, 실버나노와이어 박막 등과 같이 투광성을 나타낼 수 있는 전극 코팅 소재들이 적용되어 투광형 유기태양전지 소자 개발에 대응하고 있다.

마. 계면층 소재: 유기 태양전지 소자는 그림 1과 같이 다양한 유기, 무기, 금속계 소재들이 적층된 형태를 하고 있다. 따라서 각 층과 층 사이는 화학적, 물리적으로 이질적인 특성을 나타낸다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 self-assembly monolayer, 전도성 고분자, 유기 작용기, CNT, Graphene 등과 같은 계면층의 이질성을 줄여주는 소재들이 적용될 수 있다.

바. 기타 활성 소재: 유기 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 방법 중의 하나로, 금, 은 등과 같은 금속 나노입자 소재는 태양 빛을 받게 되면 전하의 집단 거동을 일으키게 되고, 이러한 현상은 광활성층의 빛 흡수 및 전하들의 이동에 영향을 미치게 된다(플라즈몬 현상).

사. 보호막 소재: 태양전지의 광활성 소재는 일반적으로 수분이나 공기에 노출 시 급격히 열화 현상이 일어나서 수명이 줄어드는 단점이 있다. 따라서 이와 같은 태양전지 소자의 수분, 공기에 대한 노출을 줄이기 위하여 에폭시 등과 같은 유기계 보호막 또는 SiO2, SiN 등과 같은 무기계 보호막이 코팅된 유연 필름을 이용하여 감싸주게 된다.

[Table 1] Classification of organic photovoltaic materials.

표 1. 『새물리』 외국인 저자가 포함된 논문 수 및 영문 논문 수 통계.
대분류세분류기술의 내용(범위)
광활성 소재전자주개광흡수 적용
전자받개광흡수 층에서 형성된 전자 분리에 적용
전하활성광흡수층의 광흡수능 향상에 적용 
베리어 소재n형 박막광활성층에서 생성된 전자의 이동에 적용
p형 박막광활성층에서 생성된 정공의 이동에 적용
계면 박막각층의 이질성 극복에 적용 
전극 소재상부 전극광투과, 전하의 수집 및 모듈화에 적용
하부 전극광투과, 전하의 수집 및 모듈화에 적용
보호막 소재유기계 보호막광흡수층 상부에 코팅하여 소자에 적용
무기계 보호막커버 필름에 코팅하여 소자에 적용
유/무기 보호막적층형으로 커버 필름에 코팅, 소자 적용

고효율 광전 변환 소재-공정

지난 30년 동안, 유기태양전지(organic photovoltaics, OPV)는 유기 광전 물질과 장치 등 필름화 공정의 발전을 통해 급속한 발전을 이루었다. OPV의 광흡수 층은 공여체(전자주개)와 수용체(전자받개) 물질로 구성되어 있으며, 두 소재는 함께 혼합되어(이종 접합, Bulk Hetero Junction, BHJ) 단일층의 광활성층을 형성한다. 광활성층은 광자를 흡수하여 OPV에서 자유 전하 캐리어로 변환한다. OPV 기술의 첫 번째 주요 혁신은 C60 풀레렌과 [6,6]-페닐-C61-뷰티르산 메틸에스터(PCBM)와 같은 파생물의 채택이었다.3) 높은 전기음성 및 전자 이동성 때문에 PCBM은 전자받개로 널리 사용되어 표준 수용체가 되었다. 최근에는 비-풀레렌 분자를 이용하여 에너지전환 효율을 현저하게 개선하였으며 광전변환효율(Power conversion efficiency, PCE)을 18% 이상으로 향상시켰다.4)6)7) 한편 OPV는 저조도 및 인공광 입사 조건에서 상대적으로 좋은 효율 특성을 보이는데 태양광 조건 대비 개방전압 특성이 급격히 감소하는 현상이 발생하여 사용에 제약이 있으며 이를 개선하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.5)8)9)

이와 같이 자연광이 아닌 인공광원을 이용한 고성능 인공광전지 개발을 위해서는 실내 조명 환경과 에너지 레벨 정렬에 따른 스펙트럼 반응이 좋은 광활성 물질을 선택하여 에너지 손실을 최소화하는 것이 중요하고, 또한 높은 개방전압을 실현하기 위한 가장 중요한 요인이다. 또한 효율적인 전하 운반층, 계면 및 광특성 제어는 에너지 손실, 전하 재결합 및 누설 전류를 줄여 낮은 조명 조건에서 전류 밀도를 개선하는데 중요한 역할을 할 수 있다.

1. 인공광 스펙트럼 매칭 소재 기술

Fig. 2. Electron donor materials for indoor OPV.
Fig. 2. Electron donor materials for indoor OPV.
Fig. 3. Electron acceptor materials for indoor OPV.
Fig. 3. Electron acceptor materials for indoor OPV.

[그림 2와 3]은 고성능 인공광전지에 사용되는 일부 전자주개 및 전자받개 물질의 화학 구조를 보여준다. 지난 몇 년 동안, 풀러렌 기반 수용기를 사용하는 중간 밴드갭 폴리머/단분자 전자주개 소재는 실내 조명 조건에서 8‒28%의 PCE를 갖는 특성을 보고하였다.8)9)10)11)12)13) Yang 외 연구진은 P3HT 전자주개 소재와 PC60BM 및 ICBA와 같은 전자받개 소재를 이용하여 LED 램프 500룩스 이하 환경에서 각각 8.90%, 13.05%의 효율을 얻었다. 전자받개 소재로 ICBA를 사용, P3HT와 에너지 정렬을 잘 이루어 높은 개방전압을 유도한 결과 플러렌 기반보다 상대적으로 우수한 효율을 보고할 수 있었다. 한편 P3HT 대비 상대적으로 광흡수 범위가 넓은 우수한 전자주개 소재인 PBDTT-EFT (PCE10)는 PC70BM 전자소재와 광활성층을 형성하여 동일한 500룩스 LED 램프조건에서 13.20%의 PCE를 생산할 수 있었다. 광흡수 증가로 인해 PCE10:PC70BM BHJ는 P3HT 기반보다 높은 전류값 특성을 보였으나 P3HT:ICBA BHJ보다 상대적으로 낮은 개방전압(\(\small V\)OC)과 Fill Factor (FF) 특성을 보였다. Harrison 등은 PCDTBT 및 PTB7 등 새로운 전자주개 폴리머와 풀러렌 기반 전자받개 소재를 이용, 형광등과 같은 저조도 조명하에서 테스트를 하였으며, 그 결과 PCDTBT 기반은 300룩스에서 0.72 V의 높은 \(\small V\)OC를 유도하여 16.6%의 광전변환 효율을 보고하였다. 란비르 외 연구진은 WF3, WF3S 및 WF3F로 명명되는 새로운 전자주개 시리즈를 완성하였으며, 이 중에서 WF3F는 series resistance 감소, shunt resistance 증가 및 film morphology 개선을 통해 bimolecular recombination을 줄일 수 있게 되었으며 그 결과 WF3F:PC71BM BHJ는 500룩스 LED 환경에서 17.34%의 에너지효율을 달성하였다.13) 최근에는 alkyl chains 조정을 통해 film morphology를 획기적으로 개선할 수 있는 전자주개 소재(BTR small-molecule, 밴드갭 1.80 eV)가 개발되어, 높은 EQE (external quantum efficiency)와 \(\small V\)OC를 바탕으로 실내 환경에서 28.1%라는 높은 효율의 소자가 보고되었다. 이는 풀러렌 기반 전자받개 재료가 있는 인공광전지 중 가장 높은 효율이다.14)

일반적으로 풀레렌 기반 전자받개 소재는 UV 및 가시 영역에서의 흡수로 인해 LED 및 FL 광원의 방출 스펙트럼과 호환성이 좋으나, 상대적으로 깊은 LUMO 에너지 레벨은 에너지 손실을 더 크게 하여 낮은 \(\small V\)OC 및 낮은 \(\small J\)SC로 이어질 수 있다. 또한 풀러렌 유도체의 어려운 밴드갭 조정성은 광전자 특성의 추가 개선을 방해하는 원인이 되기도 하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 비풀러렌 기반의 전자받개 소재가 활발히 개발되었으며, 동시에 이들과의 전하 재결합을 방지하고 전도도 향상 및 높은 전압을 유지하기 위한 새로운 전자주개 소재가 동시에 개발되었다. 그 결과 PBDB-TS-4Cl를 IT-4F NFA (non-fullerene acceptor)와 혼합하여 500룩스 형광 조명 아래에서 21.7%, PBDB-TF와 IT-M NFA를 조합하여 500룩스 LED 환경에서 22.8%의 특성을 보이는 소자를 보고하였다.15)16)

Liu 등은 PBN-10 NFA를 가진 중간 밴드갭 공여 폴리머 중합체인 CD1을 보고하여 all 폴리머로 구성된 소자를 제작한 결과, 효과적인 에너지 레벨 정렬 및 실내 조명 스펙트럼 매칭 우수성, 높은 \(\small V\)OC 1.14 V(@ 1000 룩스 LED) 값을 통해 21.7% 소자를 보고하였다. 현재까지 낮은 조도하에서 보고된 가장 높은 개방전압 값이다. Yan 등은 계층 간 에너지 밴드 정렬을 통해 매우 효율적인 광전지를 보고했다.17) 이와 같이 전자전달층(ETL)은 기기 성능을 높이는데 매우 중요하다. 그들은 PDI-NO와 일반적으로 사용되는 PFN ETL을 사용하여 인공광전지 성능을 비교하였다. 흥미롭게도 PDI-NO 소재를 low bandgap acceptor인 Y6-O를 포함하는 PM6 광활성 소자의 베리어 소재로 적용한 결과 30.89%라는 매우 높은 효율을 달성할 수 있었다. 낮은 조도하에서 PDI-NO 베리어 소재의 사용은 대표적인 베리어 소재인 PFN을 사용할 때보다 최적의 에너지 준위 조절 특성을 바탕으로 높은 \(\small V\)OC 및 광전변환 효율을 보일 수 있었다. 광활성 소재의 광흡수 스펙트럼 범위를 개선하기 위해 효과적인 전략 중 하나는 기존 이원계(전자주개 및 받개소재로 구성)에서 삼원 혼합 시스템을 사용하는 것이다. 삼원 혼합 시스템(주개 1, 받개 2 또는 주개 2, 받개 1로 구성)을 통해 OPV 장치의 활성층 흡광도, 모폴로지 및 전하 전달 특성을 개선할 수 있다.18)19)20) 이러한 변화의 주요 개선점은 충진율(fill factior, FF)과 전류 밀도(current density, \(\small J\)SC) 특성이다. 또한 삼원 혼합 광활성층의 모폴로지 개선을 위하여 다양한 첨가제들이 사용되고 있으며 실제로 저조도 환경에서 효율 개선에 도움을 주는 것으로 보고되고 있다.

2. 계면 제어를 통한 에너지 효율화 기술

Fig. 4. Energy band diagram of typical organic photovoltaics without and with interfacial layers. (b) Illustration of work function modification through formation of an interfacial dipole; shifting of the work function is indicated by Evac. (c) Energy band alignments of electron-transporting layer and Al interface, representing the band bending characteristics. (d) Intensity-dependent VOC of P3TEA:FTTB-PDI4 with PDI-NO and PFN interlayers.[50]Fig. 4. Energy band diagram of typical organic photovoltaics without and with interfacial layers. (b) Illustration of work function modification through formation of an interfacial dipole; shifting of the work function is indicated by \(\small E\)vac. (c) Energy band alignments of electron-transporting layer and Al interface, representing the band bending characteristics. (d) Intensity-dependent \(\small V\)OC of P3TEA:FTTB-PDI4 with PDI-NO and PFN interlayers.50)

유기기반 광전지는 각 층이 기기 내에서 뚜렷한 역할을 하는 이종소재의 적층으로 구성되어 있는데, 이 절에서는 투명 전극과 광활성층을 연결하는 계면층의 역할과 낮은 조도하에서 소자의 에너지 손실 메커니즘에 대해 논할 것이다. [그림 4(a)]와 같이 조명 아래에서 \(\small E\) 및 \(\small E\)F,e 사이의 에너지 차이가 소자의 \(\small V\)OC를 결정한다. 향상된 캐리어 수집 및 소자의 최적 \(\small V\)OC를 구현하기 위해서는 전극/광활성 인터페이스에서의 적절한 에너지 레벨 정렬이 필요하다.

전자주개의 HOMO 레벨과 전자받개의 LUMO 레벨은 각각 양극과 음극의 일함수(work function, WF)와 잘 정렬되어야 한다.21)22)23) 따라서 계면층의 도입은 barrier-less ohmic contact을 만들어 전극의 WF 조절을 용이하게 해줄 수 있는 계면층 도입 연구가 활발히 진행 중이다. 또한 정공 및 전자의 collection efficiency 향상을 위해 페르미 준위를 주개소재의 \(\small E\)F,h 및 받개소재의 \(\small E\)F,e에 잘 정렬하는 것은 매우 중요하며, 이와 같은 조절은 원하지 않는 전하의 재결합을 방지하고 전하들의 양극 및 음극으로의 선택적 이동을 원활하게 해줄 수 있다. 그럼에도 불구하고 전극/광활성층 인터페이스에서의 에너지 정렬에 대한 설명은 복잡하고 많은 메커니즘들이 보고되었다.(예를 들어, electric double layer formation, charge transfer, spontaneous dipole orientation in the bulk, 계면에서의 spontaneous dipole orientation 등)21)22)23)24)25)

계면층은 전도성 전극에 물리적으로 덮여 있을 때 진공 수위 이동을 시작하도록 계면 쌍극자를 변경할 수 있다. 쌍극자는 [그림 4(b)]에 표시된 양전하 및 음전하 성분의 불균등한 이동 능력으로 인해 생성된다. 이와 같은 메커니즘의 한 예는 PDI-NO 및 PFN을 이용하여 Al 전극의 WF을 조절한 사례이다. PDI-NO를 이용하여 Al 전극의 WF을 조절할 경우 4.22에서 3.97 eV로, PFN 사용 시 4.22에서 4.12 eV로 shift되는 것을 볼 수 있다[그림 4(c)].17) 결과적으로 Al의 감소된 WF은 받개 소재의 LUMO와 ohmic contact을 형성, built-in-field를 증가시키게 된다.

또한 실내 조명하에서 PDI-NO와 PFN의 HOMO 레벨의 영향도 조사가 되었는데, 조도가 ~1000에서 ~200룩스로 낮아질수록 PFN의 ideality factor는 증가하게 되는데 이는 심각한 trap-assisted recombination이 발생하고 있다는 것을 보여준다.[그림 4(d)] 그러나 PDI-NO 기반의 소자는 상대적으로 낮은 trap-assisted recombination 특성을 보여주고 있다. 즉, 계면에서의 energy loss(\(\small V\)OC drop)가 최소화되어 저조도 환경에서 PFN 기반 소자보다 최적화된 특성을 보여주고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 저조도 실내 용도의 계면층은 \(\small V\)OC 손실을 최소화하고 저조도 조도에서 높은 FF를 유지하기 위해 높은 shunt resistnace와 낮은 ideality factor를 가져야 한다는 결론을 내릴 수 있다.

저조도 환경(200‒1000룩스)에서 \(\small V\)OC loss mechanism을 더 자세히 이해하기 위하여 1 sun 조전하에서의 소자 구동과 비교를 하였다. 1 sun 환경 대비 조도가 낮아지면서 \(\small V\)OC가 빠르게 감소하는 것을 볼 수 있는데 이는 light dependent photocurrent \(\small I\)ph와 연관성이 있다.[식 (1)]

\[V_{\mathrm{ OC}} = \frac{nkT}{q} {\ln}\frac{ I_{\mathrm{ ph}}}{I_\mathrm o} \tag{1}\]
    \(\small n\,\): ideality factor of diode,    \(\small k\,\): Boltzmann constant,
    \(\small T\,\): temperature,    \(\small q\,\): elementary charge,
    \(\small I_\mathrm{ph}\,\): photocurrent,    \(\small I_\mathrm{o}\,\): dark current

고정된 광조사 조건에서 매우 작은 dark current를 가지는 소재는 실내 채광조건에서 \(\small V\)OC 변화가 크게 나타나게 되며 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.[식 (2)]

\[\Delta V = \frac{nkT}{q} \ln \frac{I_{\mathrm{ph,sun}}}{I_{\mathrm{ph, room}}} \tag{2}\]

\(\small I_\mathrm{ph,sun}, I_\mathrm{ph,room}\): photocurrents under 1 Sun & room light illuminations

식 (2)로부터 \(\small \Delta V\)는 \(\small I\)o에 독립적이며, 일반적으로 \(\small I\)ph는 power law에 의존하게 된다. 특히 \(\small I\)ph∝\(\small P\)light,α의 관계가 성립되는데 이때 \(\small P\)light는 incident light power이며 exponent \(\small \alpha\)는 space-charge limited (SCL) photocurrent가 1.0일 때 상수 0.75이다.26)

한편 실내 LED 및 형광등의 경우 가시광 영역의 빛을 조사하고 IR 영역은 활용되지 않기 때문에 \(\small P\)light,sun = \(\small P\)sunΘ, where \(\small P\)sun ≈100 mWcm−2, \(\small \Theta\)는 IR 영역이 포함되지 않은 fraction of light(\(\small <\)780 nm, range of \(\small V(\lambda)\) corresponding to photopic vision)이라고 할 수 있다.[식 (3)] 따라서 실내조명에 의한 \(\small V\)OC는 식 (4)와 같다.

\[ \Delta V \approx \frac{nkT}{q} \ln\frac{P_\mathrm{sun\Theta}}{P_\mathrm{room}} \tag{3} \] \[V_\mathrm{OC,room} \approx V_\mathrm{OC, sun} - \frac{nkT}{q} \ln \frac{P_\mathrm{sun \Theta}}{P_\mathrm{ room}} \tag{4}\]

전형적인 태양광 스펙트럼의 넓이를 분석해 보면 780 nm 이하에서 약 56.65%의 태양광 에너지를 받을 수 있게 된다. 이때 \(\small P\)room≈56‒280 μWcm−2(200‒1000룩스), \(\small n\)≈1이라고 가정할 때, 계산된 energy loss는 \(\small \Delta V\)≈0.17‒0.14 V이며 이 수치는 앞서 언급된 실험 결과와 유사한 것을 볼 수 있다.

3. 대면적 모듈화 기술 대면적

유기 태양전지는 다양한 용매 시스템(할로겐, 비할로겐 기반)과 코팅 공정 기술(스핀 코팅, 슬롯 다이 코팅, 스프레이 코팅, 3D 프린팅, 잉크젯 프린팅, R2R 등)을 통해 대규모 제조 공정을 최적화하는 연구가 다수 진행되고 있지만 저조도 또는 인공광전지를 위한 대면적 모듈화 공정 개발 보고는 거의 없다.27)28)29)30)31)32)33)34)35)36)37)

Fig. 5. Large-area organic photovoltaic modules for indoor applications: (a) Current-voltage characteristics of 100 cm2 PCDTBT:PC71BM module. The photo of the module is shown in the inset. (b) Photographs and device architecture of OPV modules with a BDT-2T-ID-based rigid glass substrate (left) and a flexible PEN substrate (right). (c) Current–voltage characteristics under white LED illumination at 200 lux. (d) Photograph of TPD-3F-based IOPV module and (e) representative current-voltage characteristics of TPD-3F-51 K:IT-4F module under a fluorescent lamp with an illumination of 1000 lux. (f) Fully solution-processed PV2001:PCBM-based flexible OPV module and cells by VTT Finland.[50] Fig. 5. Large-area organic photovoltaic modules for indoor applications: (a) Current-voltage characteristics of 100 cm2 PCDTBT:PC71BM module. The photo of the module is shown in the inset. (b) Photographs and device architecture of OPV modules with a BDT-2T-ID-based rigid glass substrate (left) and a flexible PEN substrate (right). (c) Current–voltage characteristics under white LED illumination at 200 lux. (d) Photograph of TPD-3F-based IOPV module and (e) representative current-voltage characteristics of TPD-3F-51 K:IT-4F module under a fluorescent lamp with an illumination of 1000 lux. (f) Fully solution-processed PV2001:PCBM-based flexible OPV module and cells by VTT Finland.50)

Harrison 등은 PCDTBT:PC71BM 활성 소재를 이용하여 실내에서 사용할 수 있는 활성 면적이 100 cm2(14 cm × 14 cm) 모듈을 제작했으며, 300룩스 FL 광원 아래에서 938 µW의 \(\small P\)max를 생성하는 11.2%의 효율 달성을 보고하였다.[그림 5(a)].14) Ryota 등은 [그림 5(b)]와 같이 유리 기판과 유연한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 기판을 사용하여 제조된 단분자 기반 모듈을 보고하였다.37) BDT-2T-ID:PNP 혼합 기반 활성 면적 9.5 cm2의 셀 6개를 직렬 연결한 모듈을 시연하였으며, 200룩스에서 흰색 LED 조명으로 PCE가 약 15%까지 나타나 111 μW의 \(\small P\)max를 보여준다[그림 5(c)]. 흥미롭게도, PEN 플렉서블 기판으로 제작된 OPV 모듈은 101 µW의 Pout과 비슷한 PCE를 보여주었다. 마찬가지로, 그들은 유연한 미니 모듈(활성 면적: 9.6 cm2)을 보고했고 200룩스 2900 K LED 조명에서 95.4 μW의 \(\small P\)max를 발생시키는 약 17%의 PCE를 얻었다.38)

Liao 등은 TPD-3F 및 IT-4F를 광활성층 재료로 사용하여, 자일렌과 같은 염소가 없는 용매에 용해하고 일반 대기 환경에서 제조한 결과 [그림 5(d,e)]과 같이 FL 조명에서 21.8%의 우수한 PCE를 나타냈다. OPV 모듈의 대규모 생산을 위해서는 슬롯 다이 코팅이나 R2R 처리와 같은 쉬운 인쇄 기술이 필요한 반면, 예에서 채택된 OPV 모듈 제작 프로세스는 스핀 코팅 방식이었다. [그림 5(f)]와 같이 핀란드 VTT 기술연구센터 연구팀은 R2R 슬롯 다이 코팅 및 스크린 프린팅으로  \(\small V\)OC 및 FF가 향상된 13.4%의 높은 실내 광 채집 특성을 가지는 유연한 모듈을 제작하였다.

4. 소자 안정화 기술

최근 몇 년 동안 고효율 광흡수 소재와 혁신적인 제조 공정 기술이 개발되었으며, 상용화를 위한 유기기반 태양전지의 운영 안정성에 대한 연구도 동시에 이루어지고 있다. 표준 시뮬레이션 조명(AM 1.5 G, 100 mW cm-2) 조건 또는 직사광선에서의 소자 열화 메커니즘을 이해하기 위해 많은 노력을 기울였지만 실내 저조도 환경에서 열화 거동을 조사한 보고는 거의 없었다.39)40) 반면에 열, 일사 조사 및 변동 날씨와 같은 심각한 실외 또는 강도 높은 안정성 평가 조건에 비해 상대적으로 마일드한 실내 조건은 기기 작동 안정성을 기대할 수 있게 했다. 이 절에서는 최근 보고된 인공광전지의 안정성 평가 조사와 저조도 조건에서의 열화 메커니즘에 대해 서술한다.

대부분의 광활성 유기 소재는 빛과 산소에 민감하며, 광활성 소재의 광산화 과정은 전자받개 소재의 LUMO 에너지 레벨의 영향을 강하게 받는 과산화물 라디칼 이온의 형성과 함께 소자 성능의 급격한 저하를 일으킬 수 있다. 이 열화 메커니즘은 풀러렌 및 비 풀러렌 기반 BHJ에 모두 적용 가능하며 전자 친화성이 충분한 전자받개 소재를 새로 설계함으로써 어느 정도 방지할 수 있다.41)42)43) 광활성층의 the oxygen induced photochemical degradation을 방지하는 효과적인 방법 중의 하나는 유리 또는 플라스틱 필름으로 소자를 캡슐화하는 것이다. 그러나 유리 필름은 유연한 소자에 적합하지 않으며 캡슐화에 사용되는 대부분의 플라스틱 필름은 산소 확산을 완전히 차단할 수 없다. 따라서 견고하고 유연한 소자 모두에 적합한 캡슐화 재료 개발은 여전히 해결해야 할 과제이다.

최근 Hu 외 연구진은 PEI 또는 PEIE와 같은 low WF 특성의 베리어 소재와 비풀레렌 기반 활성층 간의 화학 반응으로 소자의 안정성이 낮아진다는 것을 보고했다.44) 여기서 아민계면 물질은 전자받개 소재의 C=O 그룹과 반응하여 분자 내 전하 전달에 손상을 준다. 마찬가지로 광활성층과 홀 운반층(HTL)의 계면 화학 반응은 소자의 성능을 급격하게 하락시키기도 한다. 비록 이러한 계면 반응 메커니즘은 금속 이온 도핑이나 원자층 계면처리 기술을 통해 제어할 수 있게 되었지만, 뛰어난 성능과 안정성을 가진 적절한 계면의 개발은 고성능과 안정적인 인공광전지 소자의 발전을 위한 전제 조건이다.

Fig. 6. (a) Energy band diagram of conventional indoor organic photovoltaics. (b) Relative photovoltaic characteristics vs. time.[50]Fig. 6. (a) Energy band diagram of conventional indoor organic photovoltaics. (b) Relative photovoltaic characteristics vs. time.50)

Cui 등[그림 6(a),(b)]은 PBDB-TF:IO-4Cl 기반 인공광전지 소자를 제작하여 연속적인 실내 조명 아래에서 1000시간 후에도 초기 PCE를 유지하였으며, 이는 장치 성능과 작동 안정성이 뛰어난 실내 용도에 잠재력을 보인다. 또 다른 보고서에서는 다양한 온도 조건에서 연속적인 강약 조도하에서 안정적인 소자를 보고했다.45)

현재까지 저조도 조명 조건에서의 안정성 연구는 대부분 소면적 단일 셀을 기반으로 한다. 반면에, IoT 장치의 작동을 위해 충분한 전력을 제공할 수 있는 합리적인 크기의 실제 모듈의 테스트가 필요하다. 따라서 실내 환경에서 일정 크기 이상의 모듈 안정성 평가는 매우 중요하다. Liao 등은 다크 상태와 표준 조명하에서 TPD-3F-51 K:IT-4F 기반의 셀 및 모듈의 안정성 테스트를 실시, 비교하였다. 결과는 어두운 조건에서 모듈이 초기 PCE의 98% 이상을 유지한 반면 표준 조명 조건에서 단일 셀과 모듈은 \(\small J\)SC와 \(\small V\)OC 둘 다 손실된 전형적인 연소 거동과 20시간의 광 흡수 후 FF가 더 큰 강하를 보였다. 그 후 모듈의 경우 효율이 약 ~70%, 셀의 경우 ~85%로 안정화되었다. 단일 셀 및 모듈의 안정성 데이터는 결점 확률이 높기 때문에 큰 영역 모듈의 손실이 작은 셀 크기에 비해 클 수 있다. 따라서 실내 적용을 위한 인공광전지의 진정한 잠재력을 실현하기 위해서는 다양한 조명 조건하에서 넓은 영역의 모듈의 안정성을 평가하는 것이 필수적이다.

인공광 태양전지를 활용한 IoT 소자

Fig. 7. (a) Power requirements of various IoT systems. (b) Photovoltaic device-integrated low-power electronic products. (c) Survey graph of indoor organic photovoltaics power generation with respect to active area.[50]Fig. 7. (a) Power requirements of various IoT systems. (b) Photovoltaic device-integrated low-power electronic products. (c) Survey graph of indoor organic photovoltaics power generation with respect to active area.50)

태양광 발전소에 통합된 저전력 IoT 장치는 건강 관리, 환경 모니터링, 스마트 홈, 스마트 마켓 및 산업에 큰 전망을 가지고 있다.46)47)48)49) 사물인터넷 개념의 실현을 위해서는 에너지원에 대한 자유도 즉, wireless 구동이 필요하다. 인공광전지는 이러한 wireless 구동을 위한 최적의 에너지 소스가 될 수 있다. 연구자들은 초저전력 IoT 제품과 고효율 인공광전지 융합 설계와 개발에 초점을 맞출 필요가 있다. 현재까지 대부분의 IoT 제품의 에너지 요구량은 인광광전지의 에너지 생성량보다 훨씬 높은 수준이다. [그림 7(a)]는 다양한 저전력 IoT 장치의 전력 요구사항을 보여준다. 반면 활성 면적이 40‒50 cm2인 광전지 모듈의 경우 저조도에서 약 2‒3 mW의 \(\small P\)max만을 생산할 수 있다. 이 발전량은 실내 IoT 시스템의 배터리 수명을 지원하거나 연장하기에 충분할 수 있지만, 자체 지속 가능하고 배터리에 독립적인 실내 IoT 시스템의 경우 더 높은 출력을 가지는 고성능 인공광전지의 추가 개발이 필요하다. [그림 7(b)]는 상용 태양전지를 이용한 다양한 융합 기기들 모식도이다.(손목시계, 스마트 카드, 전자 가격 라벨, 리모컨 및 wireless 센서 등) 대부분의 기기는 독립 구동을 할 수 있으며 때로는 블루투스 또는 Wi-Fi 연결을 통해 외부 시스템에 연결할 수도 있다.

Fig. 8. (a,b) Opaque and semitransparent OPV module integrated RSL-10 multisensor IoT platform and android applications interface. (RSL-10 schematic drawing source: ON Semiconductors). (c,d) Laboratory temperature and humidity meter powered by indoor semitransparent (10×10cm2) and opaque (5×7cm2) OPV modules.[50] Fig. 8. (a,b) Opaque and semitransparent OPV module integrated RSL-10 multisensor IoT platform and android applications interface. (RSL-10 schematic drawing source: ON Semiconductors). (c,d) Laboratory temperature and humidity meter powered by indoor semitransparent (10×10cm2) and opaque (5×7cm2) OPV modules.50)

그러나 Bluetooth나 Wi-Fi의 경우 상대적으로 높은 소비 전력이 필요하다. Bluetooth 또는 Wi-Fi 연결이 가능한 상용 저전력 IoT 장치의 경우 약 2‒10 mW의 input power가 필요하다. 인공광전지는 모듈 설계를 통해 고전압을 생성할 수 있지만 상기와 같은 다양한 IoT 기기를 효과적으로 구동하기에는 전류가 충분하지 못한 단점이 있다.

[그림 7(c)]는 광전지의 유효면적당 output power를 비교한 그림인데 다양한 기기 구동을 위해서는 더 높은 출력의 광전지 개발이 필요함을 알 수 있다.50)

[그림 8(a)~(d)]는 한국재료연구원에서 개발된 반투광형 및 불투명 인공광전지 모듈을 이용한 다양한 센서(온도, 습도, 자이로 센서 등) 융합 시스템이다. 300~500 룩스의 저조도 인공광원 환경하에서도 센서들이 효과적으로 작동되는 것을 볼 수 있으며, 특히 블루투스 통신 구동이 가능한 충분한 전력을 생산, 휴대폰 앱을 통해 모니터링이 가능한 시스템이다. 또한 반투명한 모듈을 이용해 센서 디스플레이와 통합하여 시인성을 저해하지 않으면서 동시에 공간의 활용성을 극대화할 수 있는 시스템도 선보였다.

맺음말

인공광전지는 IoT 장치에 자급자족이 가능한 전력원을 제공할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다. 실내용 저전력 IoT 기기의 수요의 급격한 증가는 고성능 인공광전지의 개발을 촉진할 뿐만 아니라 초저전력 IoT 시스템의 설계 및 개발을 위한 전자 및 반도체 산업도 촉진하고 있다. 본지에서는 인공광전지의 소재 및 고효율화 기술뿐만 아니라 IoT 기기와의 융합시스템에 대해 논의하였다. 고효율 인공광전지용 광활성 소재는 가시광 영역에서 인공조명과 흡수스펙트럼 매칭이 잘 이루어져야 하며, 전압 강하 및 계면 에너지 손실을 최소화하고 캐리어 수집 효율 향상을 위해서는 소재 간 에너지 밸런스 및 계면층 제어가 가장 중요하다. 한편 자연광 대비 상대적으로 낮은 조도 조건에서 구동을 해야 하는 특성상 필연적으로 발생하는 저전류 특성은 소재 및 모듈 설계, IoT 소자와의 전력계 디자인을 통해 활용 가능한 수준으로 극복이 가능하다. 광전자 물리, 전기전자, 계면 공학 및 공정 설계 등 다양한 공학적 기술의 융합을 통해 차세대 wireless IoT 융합 모듈을 위한 고효율 인공광 에너지원의 개발이 가속화될 수 있을 것으로 보인다.

각주
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