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학술

손실되는 실내광으로 고효율 전력 생산!

「Nano Energy」 5월 29일 온라인 게재

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고려대(심재원,김태근)-이화여대(김동하) 공동연구팀
고효율/안정성 페로브스카이트 소재 기반 광전 소자 개발
세기 낮은 실내등으로 고효율 전력생산 가능한 핵심기술 개발





고려대학교(총장 정진택) 전기전자공학부 심재원 교수 및 김태근 교수, 이화여자대학교 화학나노과학과 김동하 교수가 이끄는 공동 연구팀이 페로브스카이트 소재를 사용하여 LED 실내조명(1000 룩스) 하에서 34% 이상의 고효율 광전변환효율*을 보이는 핵심 기술을 기발했다.

최근 사물 인터넷(IoT)기반 무선 센서, 스마트 폰 및 태블릿 PC를 포함한 저전력 구동 실내 전자 장치의 사용이 급격히 증가함에 따라 반영구적으로 사용가능한 에너지원에 대한 관심이 늘어나고 있다. 이런 맥락에서 실내광 활용을 통한 전력 생산은 매우 흥미로운 일이다. 건물 내 전력소비에서 실내광이 차지하는 비율이 상당히 높으며 약 30 %만 재활용 하여 전력 생산을 할 수 있다면 비용 절약 등에서 큰 효과가 기대된다.

특히 다양한 실내 에너지원(빛, 열, 압력 등) 중 빛(실내광)을 활용한 발전은 에너지 원으로의 접근성 및 발전 효율에 있어 매우 안정적이라고 볼 수 있다. 

빛을 전기 에너지로 변환하기 위해 광전 소자(예: 태양전지)가 필요하다. 그러나 대부분의 태양전지의 경우 외부 태양광 하에서의 발전 성능이 연구됐고, 낮은 조도 및 발광 스팩트럼이 태양광보다 훨씬 제한 적인 실내광에서의 성능 구현에 대한 연구는 아직 시작 단계다. 

상용화 태양전지 중 가장 흔하게 사용되는 실리콘 태양전지는 저조도에서 광흡수능력이 상대적으로 낮아서 흐린 날 혹은 실내조명과 같이 빛의 세기가 약한 경우(약 2,000lx 이하)에서는 전기 생산이 어렵다고 알려져 있다.

이에 반해, 이번 연구에서 사용된 높은 광흡수 특성을 갖는 유/무기 하이브리드 페로브스카이트 소재로 제작된 페로브스카이트 태양전지*는 저렴한 비용, 가볍고 간단한 제조과정, 유연성 등의 이점 때문에 차세대 태양전지로 매우 각광받고 있다. 

그러나 현재 사용되고 있는 페로브스카이트 광활성층*은 야외 태양광 빛에 최적화된 경우가 많아서, 본 광활성층이 실내광과 같은 빛의 세기가 낮은 조명 아래에서 구동되려면, 태양전지 내부적으로 파생된 전기적 손실을 최적화하는 기술이 필수적이다.

빛에 의해 생성되는 엑시톤*이 재결합에 의해 소실되지 않도록 페로브스카이트 광활성층의 계면 형태를 제어하여, 생성된 여기자의 손실의 주된 원인인 트랩 상태 밀도를 낮추고 최적화하는 기술이 핵심 요소다. 

이를 통해 최적의 광흡수층을 생성하여, 태양전지 내부적으로 파생된 전기적 손실을 최적화하여 흐린 날 뿐만 아니라 실내 조명, 달빛 등 빛의 세기가 매우 약한 환경에서도 전기생산이 가능하여 상시 전기생산 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

고려대-이화여대 공동연구팀은 광흡수특성이 우수한 유기반도체를 활용해 실내조명 중 가장 약한 LED조명* 에서도(200 lx) 전력 생산이 가능한 기술을 개발했다. 

이번 결과는 빛의 세기가 강한 태양광에서 약 17.0%에 그치는 광전변환효율이 빛의 세기가 약한 LED(1000 lx) 실내 조명 하에서도 약 34.5%의 평균 전력 변환 효율을 달성하였기에 더욱 고무적인 결과다. 

유무기 하이브리드 복합소재인 페로브스카이트의 뛰어난 광흡수특성을 활용해 실내조명과 같이 약한 빛의 세기에서 전기를 생산하는 이 기술은, 에너지 관련 분야 최고 권위지 중 하나인 'Nano Energy’(IF:16.602) 에 5월 29일 온라인 게재됐다. 




심재원 고려대 교수는 "사물인터넷, 인공지능 등 첨단기술의 수요가 폭발적으로 증가하고 있기에 이를 구동 가능하게 하는 전원에 대한 연구 또한 상당한 주목을 받는 상황이다"라면서, "이번 기술개발로 미래 기술의 핵심부품으로 주목받고 있는 센서의 전원문제를 해결하여, 스마트센서 기술이 더욱 폭넓게 사용돼 그 수요에 부응할 수 있을 것"이라고 밝혔다.




김동하 이화여대 교수는 “LED와 같은 실내 조명이 체계적으로 맞춤화 된 고효율 페로브스카이트와 결합되어 최고 수준의 광전변환 효율(34.5 %)을 달성한 획기적인 결과”라면서, “본 기술로 얻어진 약 전력은 현재 실내 전자장치를 구동하기에 충분한 에너지이며 미래의 에너지 패러다임을 바꿀 수 있다”라고 연구의 의의를 밝혔다.




제1저자로 참여한 임주원 연구원은 “본 장치는 버려지는 실내 조명과 같은 에너지를 획기적으로 포획하여, 미래의 에너지 절약에 실질적인 의미를 제공할 수 있다.”며 “본 연구결과는 기존 태양광에서 LED와 같은 실내등으로의 새로운 유형의 전자 장치 개발로 이어질 것”이라고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 한국 연구재단의 기후변화대응기술개발사업, 중견연구자지원사업 (도약연구), 리더연구자지원사업 (창의연구), 이공학개인기초 (기본연구) 등으로 수행됐다.



 용어 설명

1. 광전변환 효율 : 빛에너지를 전기에너지로 변화시키는 효율. 이 현상을 일으키기 위한 빛과 전기의 중개자로 광전효과를 이용한다.

2. 태양전지 : 빛이 광활성층에 흡수되어 정공(Hole)과 전자(Electron)으로 분리된 후 각각 양극과 음극으로 이동하면서 전류를 생산하는 친환경 에너지원

3. LED 조명(Light-Emitting Diodes Indoor Lighting) : 친환경, 저전력, 감성조명 등 여러 장점으로 인해 기존의 형광등을 대체중인 실내조명으로, 태양광 및 형광등과는 발광 파장대가 달라 태양전지 흡수체 설계 시 적절한 광활성층의 제어가 필요됨.

4. 페로브스카이트 태양전지 : 페로브스카이트라는 물질을 광 활성층 (빛을 받아들이는 부분)으로 사용하는 태양 전지.

5. 광 활성층 : 유기태양전지에서 빛을 받아 전자-양공을 생성하는 층

6. 엑시톤 : 절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자. 즉, 정전기력으로 인하여 결합한 전자-양공 쌍.

7. 나노에너지 (Nano Energy) : 해당 분야 세계 최고 권위의 SCI 학술저널 (인용지수: 16.602, 분과내 인용순위 (JCR, Journal Scitation Reports) 상위 14위 (전체 314개중), 상위 4.3%)



저자소개 



심재원 교수[교신저자] 

1. 인적사항
·    소속 : 고려대학교 전기전자공학부
·    전화 : 02-3290-3224
·    이메일 : jwshim19@korea.ac.kr

2. 학력
·    2005 고려대학교 전기전자전파공학부 학사
·    2008 University of Texas at Austin 전기컴퓨터공학석사
·    2014 Georgia Institute of Technology 전기컴퓨터공학박사

3. 경력사항
·    2014. 05 - 2014. 12 삼성전자종합기술원 전문연구원
·    2015. 03 - 2019. 08 동국대학교 전자전기공학부 조교수
·    2019. 09 – 현재 고려대학교 전기전자공학부 조교수





김동하 교수[교신저자] 

1. 인적사항
·    소속 : 이화여자대학교 화학나노과학과
·    전화 : 02-3277-4517
·    이메일 : dhkim@ewha.ac.kr

2. 학력
·    1996. 3 ~ 2000. 2 : 서울대학교대학원 섬유고분자공학과 (공학박사) 

3. 경력사항
·    2000. 8 ~ 2003. 4 : 미국 매사츄세츠 앰허스트주립대학교 고분자공학과 박사후연구원
·    2003. 5 ~ 2005. 10 : 독일 막스플랑크고분자연구소 박사후연구원
·    2006. 3 ~ 2010. 2 : 이화여자대학교 화학나노과학과 조교수
·    2010. 3 ~ 2015. 2 : 이화여자대학교 화학나노과학과 부교수
·    2013. 2 ~ 2014. 2 : 미국 매샤츄세츠공과대학교 기계공학과 방문교수
·    2015. 3 ~ 현재 : 이화여자대학교 화학나노과학과 교수
·    2015. 3 ~ 현재 : 이화여자대학교 이화펠로우 (Ewha Fellow)





김태근 교수[교신저자] 

1. 인적사항
·    소속 : 고려대학교 전기전자공학부
·    전화 : 02-3290-3255
·    이메일 : tgkim1@korea.ac.kr

2. 학력
·    1990고려대학교 전자공학과(공학사)
·    1993고려대학교 전자공학과(공학석사)
·    1997고려대학교 전자공학과(공학박사)

3. 경력사항
·    1997 - 1998미국 University of California, San Diego, 박사후연구원
·    1998. 06 - 2001.02일본 Electro-technical Laboratory, NEDO Fellow
·    2001. 03–2002. 02 삼성종합기술원 전문연구원
·    2002. 03 - 2004. 08 광운대학교 조교수
·    2004. 09 – 현재 고려대학교 전기전자공학부 교수
·    2012. 05–현재 고려대학교 반도체기술연구소장



임주원 연구원[제1저자] 

1. 인적사항
·    소속: 미시간대학교 재료공학과
·    전화: 010-6522-9926
·    이메일 : juwonlim@umich.edu

2. 학력
·    2009. 3 ~ 2013. 2 : 고려대학교 전기전자공학과 (공학학사)
·    2013. 3 ~ 2015. 2 : 고려대학교 대학원 전기전자공학과 (공학석사)
·    2018. 9 ~ 현재: 미시간대학교 대학원 재료공학과



권한나 연구원[제1저자] 

1. 인적사항
·    소속: 이화여자대학교 화학나노과학과
·    전화: 010-4518-6487
·    이메일 : 1990hannah@naver.com

2. 학력
·    2009. 3 ~ 2014. 2: 한남대학교 화학과(공학학사)
·    2014. 3 ~ 2020. 2: 이화여자대학교 대학원 화학나노과학과 (이학박사)

3. 경력사항
·    2015. 8 ~ 2016. 10: 한국과학기술연구원(KIST), 광전하이브리드연구센터, 연수생
·    2020. 5 ~ 현재: 한국과학기술연구원(KIST), 나노포토닉스연구센터, 박사후연구원



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