동국대·경상대·경북대·한국생산기술연구원 학연 공동연구팀
유기반도체를 활용한 실내조명 전력 생산 핵심기술 개발
동국대(총장 한태식(보광)) 전자전기공학부 심재원 교수, 융합에너지신소재공학과 이재준 교수, 국립 경상대학교 전기공학과 김혁 교수와 경북대학교 배진혁 교수, 한국생산기술연구원 (이하 생기원) 대구경북지역본부 이수웅 박사가 이끄는 공동 연구팀이 실내조명을 이용해 전력을 생산하는 핵심기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
유기반도체(Organic Semiconductor)의 뛰어난 광흡수특성을 활용해 실내조명과 같이 약한 빛의 세기에서 전기를 생산하는 이 기술은, 해당 분야 학술지인 <다이 & 피그먼트(Dyes and Pigments)> 12월 1일자 학회지에 게재됐다. 이 학회지는 인용지수 3.767, 인용순위 (JCR, Journal Scitation Reports) 분과 2위이며, 상위 8.3% 의 해당분야 최고 권위지다. 이 기술의 선행연구는 지난 9월 해당분야 학술지인 <태양 에너지 물질과 태양전지(Solar Energy Materials and Solar Cells> (인용지수 : 5.018) 에 게재되기도 했다.
현재 신재생에너지 생산원으로 주목받고 있는 태양전지는 대부분 실외환경에서 사용되는데, 전력을 생산하기 위해서는 특정 세기 이상의 빛이 필요하여 실내조명 수준의 빛으로는 전력생산이 어려운 문제점이 지적돼 왔다.
기존 태양전지에 사용되는 실리콘 재료는 광흡수능력이 상대적으로 낮아 밝은 날 야외에서의 태양광 세기(약 100,000 lx 수준)에서는 잘 작동하지만, 흐린 날이나 실내조명과 같이 약한 빛 세기(약 2,000 lx 이하)에서는 전기 생산이 어려웠다.
이에 반해, 높은 광흡수 특성을 갖는 유기반도체는 구조변화를 통해 최적의 광흡수층 두께로 제어거나, 태양전지 내부적으로 파생된 전기적 효과를 최적화 하여 흐린 날과 실내 조명 뿐만 아니라 달빛 아래에서도 전기생산이 가능하여 상시 전기생산 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
그러나 지금까지 친환경 에너지원으로 주목받아온 태양전지기술은 특정한 빛 세기 이상에서만 적용 가능, 24시간 상시전원으로 활용하는 데는 한계가 있었다.
동국대-경상대-경북대-생기원 학연 공동연구팀은 광흡수특성이 우수한 유기반도체를 활용해 실내조명중 가장 약한 스탠드 LED 에서도 (200 lx) 전력생산이 가능한 기술을 개발했다.
광학 시뮬레이션 기술을 이용해 태양전지의 광흡수 특성이 극대화되는 구조를 설계하였으며, 이에 따른 최적의 광흡수층 두께 및 태양전지의 최고 효율 획득이 가능한 구조 도출이 가능해져 24시간 상시전원으로 활용가능한 친환경 전력공급원을 개발할 수 있게 됐다.
동국대 심재원 교수와 공동연구팀은 “사물인터넷, 인공지능, 스마트 홈 등 첨단기술의 핵심부품으로 센서에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 반면, 센서 전원에 대한 연구는 미흡한 상황이다”라면서, “이번 기술개발로 미래 기술의 핵심부품으로 주목받고 있는 센서의 전원문제를 해결하여, 스마트 센서 기술이 더욱 폭넓게 사용돼 그 수요에 부응할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 기후변화대응기술개발사업 (도심분산전원용유기물기반태양전지 원천기술개발사업, 책임자 이재준), 한국연구재단 신진연구자지원사업과 중견연구자지원사업, 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발사업으로 수행됐으며, 현재 1편의 국내 특허출원 및 해외 특허출원 중에 있다.
<용어설명>
LED 실내조명 (Light-Emitting Diodes Indoor Lighting)
친환경, 저전력, 감성조명 등 여러 장점으로 인해 기존의 형광등을 대체중인 실내조명으로, 태양광 및 형광등과는 발광 파장대가 달라 태양전지 흡수체 설계시 까다로움
태양전지
빛(Photon, 광자)이 pn접합구조를 갖는 태양전지의 광흡수층(photo-absorption layer)으로 흡수되어 정공(Hole)과 전자(Eelectron)로 분리된 후 각각 양극(Anode)과 음극(Cathode)로 이동, 전류와 전압을 생산하여 전력을 만들어내는 친환경 에너지원
유기반도체
실리콘과 갈륨, 게르마늄 등의 광물과 같이 반도체로서의 성질을 가진 유기화합물의 총칭. 유기화합물은 유리나 다이어먼드와 더불어 전기를 통하지 않는 절연체의 대표격이나 전기를 통하는 성질인 전도도가 조금 높은 것이 있고 또 빛이 닿으면 전도도가 향상되는 것도 있다. 현재 복사기의 감광체로서 몇 개의 유기반도체가 사용되기 시작했으며 값이 싼 이점을 살려서 유기반도체로 태양전지를 만들려는 연구도 진행되고 있다.
