[한국대학신문 이정환 기자] 가천대학교 IoT용 스마트소재 연구지원센터장 이상화교수가 한국과학기술연구원 이중기박사(현 가천대 연구교수)와 협동연구로 플러렌에서 유도되는 p형반도체 특성을 지니는 카본클러스터 소재를 합성, 섬유실형태의 태양광충전 아연-고분자전지의 전자전달층으로 활용하는 제조기술을 세계최초로 개발했다.

태양광 충전 전지는 친환경적이며 지속 가능한 에너지원으로, 태양 에너지를 활용래 전지를 충전하는 방식을 채택하고 있다. 특히 섬유 형태로 제조할 수 있다면, 4차 산업 시대의 웨어러블 전자 제품과 결합하여 유연성, 다양한 응용, 이동성, 및 휴대성을 제공할 수 있다. 특히 RE100 시대에 맞추어 재생에너지를 100% 활용하는 제품에 대한 관심이 모아지고 있는 상황에서 광전효과로 발생하는 전자와 양공의 재결합을 방지하고, 전극 층에서의 전자의 이동을 개선하는 핵심 기술의 개발이 필수적이다.

연구팀은 이를 위해 전도성고분자인 폴리 아닐린에 플러렌(C60)에서 유도되는 플라스마 중합 탄소 클러스터 박막(FPC: fullerene plasma-induced carbon clusters)을 코팅하여 제조한 광전극 소재를 개발했다. 이 소재는 태양광으로 충전될 수 있는 배터리의 핵심 부품으로 사용된다. FPC는 플러렌을 플라즈마에 노출시켜 결함이 많은 탄소 단편으로 분해하고 플라즈마 환경에서 발생하는 중합반응을 이용해 다공성 반도체를 형성하는 공정 기술로 제조했다. FPC 반도체 유형과 물리화학적 특성은 플라즈마의 공정변수의 제어를 통해 조절이 가능하다.

이 연구에서 개발된 광전극 소재는 태양광을 이용하여 충전할 수 있는 유연한 배터리, 즉 태양광 충전식 아연-폴리아닐린 배터리(SZPB) 제작에 사용됐다. 이 배터리는 외부 회로 없이도 독립적으로 태양광으로 충전될 수 있으며, 이 과정을 크게 향상시킨다. 이러한 연구는 태양광 충전이 가능한 배터리를 개발하고, 반도체 및 광전기 재료의 혁신을 통해 유연하고 효율적인 에너지 솔루션을 제공하는 데 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

이 연구를 통해 세계 최초로 개발된 플라즈마 중합 카본클러스터 박막이 코팅 폴리아닐린 전극은 staggered p-n 이종구조를 가진 광음극 (Photoanode)으로 태양광 1.5G 조명하에서 SZPB는 310 mAh g⁻의 높은 용량을 보여줬는데, 이는 어두운 조건에서의 3배에 해당한다. 또한 조명하에서 2000회의 사이클링에서 91.3%의 용량 보존률을 달성하여 오래 지속되는 사이클링 능력을 보여준다. 또한 광충전전지의 세계 최고기록인 1.15%의 탁월한 광전환 효율을 달성했으며 광섬유 모양의 구성은 우수한 유연성과 변형 가능성을 유지하면서 전기화학적 성능을 유지, 이는 미래 웨어러블 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 중견연구사업, 교육부 기초연구사업, IoT용스마트소재연구지원센터의 분석지원을 통해 수행됐으며, 논문(논문명 : A Flexible Fiber-shaped Solar Chargeable Zinc–Polyaniline Battery with a Fullerene-based Electron Transfer Layer)은 물리, 응용 분야 국제 학술지인 〈Energy Storage Materials〉(IF: 20.4, JCR 분야 상위 4.2%)에 2024년 1월 온라인에 게재됐다.