유연한 태양전지에 메모리까지 구현했다

고려대, 맥신 소재 기반 태양광 발전과 메모리 기능 가능케 하는 투명전극 및 소자 개발

메모리 기능을 가진 태양전지를 국내 연구진이 개발했다. 지능형 태양광 발전 모듈이나 IoT 등에 활용이 기대된다. 

고려대학교(총장 김동원)는 전기전자공학부 김태근 교수 연구팀이 맥신 소재 기반의 유연투명전극을 활용, 하나의 칩에 메모리와 학습 기능을 함께 갖춘 유기태양전지(MemOSC)를 개발했다고 8일 밝혔다. 

맥신(MXene)은 2차원 평면구조를 가지는 세라믹 물질로, 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합해 원자 두께의 층으로 구성된다. 전도성을 가지면서도 말단에 있는 수산화기나 산소 때문에 친수성을 가져 용액 공정이 가능하다. 

유기태양전지(OSC)는 전력변환효율이 높고 비용이 적게 들며 가볍다. 유연하고 면적을 키우기도 좋다. 이러한 장점을 가진 OSC 소자에 학습 능력을 탑재하기 위한 연구가 활발하다. 

MXene 시트와 Zn 나노 입자의 혼합 모식도 (왼쪽) 및 개발된 Ti3C2Tx MXene/Ag/Ti3C2Tx MXene 기반 유연투명전극을 사용한 기억 학습 유기태양전지 (MemOSC)의 소자 구조와 Zn 도핑 전, 후 소자의 전류밀도-전압 결과 (오른쪽) (자료=고려대)

연구팀은 스핀코팅과 스퍼터링을 활용, 2차원 티타늄 카바이드(Ti₃C₂Tx) 맥신 기반의 다층 구조(Ti₃C₂Tx MXene/Ag/Ti₃C₂Tx MXene) 전극 표면에 아연 나노 입자를 도핑했다. 이 전극은 84%의 투과도를 기록했고, 2천번 구부렸다 펴도 안정적 특성을 유지했다.  

이렇게 개발된 전극을 탑재한 기억 학습 유기태양전지는 13.86%의 전력변환효율을 보였으며, 수백 번의 스위칭 사이클 후에도 안정적인 태양광 성능을 유지했다. 또 낮은 구동 전압과 안정적 내구성, 우수한 기억유지 특성 등 메모리로서 우수한 성능을 보였다. 

이번 연구 결과는 2차원 맥신 기반의 다층전극 구조가 유기태양전지의 유연투명전극으로 잘 동작하면서, 동시에 전기 판독이 가능한 비휘발성 메모리 기능을 수행할 수 있음을 보여준다. 향후 에너지 수집이나 인공 시냅스 기능을 집적하여 기억과 학습 능력까지 갖춘 미래 에너지 통합 소자 및 시스템 구현에 활용될 것으로 연구진은 기대했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원으로 수행됐으며, 논문은 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 최근 실렸다.