울산과학기술원(UNIST) 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀(Graphene·탄소 원자가 육각형으로 결합한 구조의 신소재)을 이용한 유연하고 투명한 전극을 개발했다.

이 전극은 태양전지뿐 아니라, 디스플레이나 광센서 등에도 적용할 수 있어 활용도가 높을 것으로 기대된다.

박혜성·양창덕 에너지 및 화학공학부 교수팀은 '그래핀 기반 고성능 투명 유연 전극'을 개발했다고 19일 밝혔다.

그래핀 전극은 가볍고 유연한 데다, 전기 전도성이 뛰어나고 내구성도 좋아 '유기 태양전지' 특성을 살리는 소재로 손꼽힌다.

그러나 그래핀은 두께가 원자 한층 수준으로 얇아서 전극 기판으로 옮길 때 지지층이 필요하다.

보통 지지층으로 전기가 안 통하는 고분자 물질을 쓰는데, 이들이 완전히 제거되지 않아 전기 전도성을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

또 기판 위에 그래핀을 고정하는 힘이 부족해, 굽히거나 외부 힘을 반복적으로 가하면 그래핀이 떨어지기도 했다.

연구팀은 그래핀을 옮기는 지지층을 기판으로도 사용하는 제조법으로 '기판 일체형 그래핀 전극'을 개발했다.

이 전극을 유기 태양전지에 적용한 결과 15.2%의 광전변환 효율(태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율)을 기록했는데, 이는 지금껏 개발된 유기 태양전지 중 효율이 가장 높다.

이 태양전지는 또 5천번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 내구성을 보였다.

특히 기판 일체형 그래핀 전극은 고온 공정이 필요한 다른 전기 소자에도 적용할 수 있다.

기존 그래핀 전극의 기판으로 이용된 물질은 고온에서 변형됐으나, 이번에 지지체와 기판으로 활용된 폴리이미드(PI) 소재는 400도 이상 고온도 견딜 수 있기 때문이다.

박혜성 교수는 "이번에 개발한 전극은 유기 태양전지 효율과 내구성을 크게 높였다"라면서 "앞으로 태양전지뿐 아니라 고성능 LED, 광센서 등 다양한 차세대 유연 광전소자 개발에도 크게 도움이 될 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 국제 학술지 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지인 줄(Joule) 온라인판에 이달 6일 공개됐다.