UNIST(총장 이용훈)는 박혜성·양창덕 에너지 및 화학공학부 교수팀이 '그래핀 기반 고성능 투명 유연 전극'을 개발했다고 19일 밝혔다. 연구진은 그래핀이 가진 우수한 전기 전도성과 내구성을 해치지 않도록 새로운 제조기법을 고안해, 기존 그래핀 전극의 단점을 보완했다.

그래핀 전극은 가볍고 유연하며 전기 전도성과 내구성이 좋아 유기 태양전지의 핵심 소재로 손꼽혀왔지만 그래핀이 원자 한 층 수준으로 얇아 전극 기판으로 옮길 때 지지층이 필요했다. 

기존 지지층은 전도성을 떨어트리는 문제와 기판 위 그래핀을 고정하는 힘이 부족해 굽히거나 외부 힘을 반복적으로 가하면 떨어지는 문제점이 있었다. 

공동연구팀은 그래핀을 옮기는 지지층을 기판으로도 사용 가능한 '기판 일체형 그래핀 전극'을 개발했다. 이를 유기 태양전지에 적용한 결과 15.2%의 광전변환효율(태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율)을 기록, 이제껏 개발된 유연한 유기 태양전지 중 가장 높았으며 5000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 보였다.

기존 그래핀 전극의 기판으로 이용되는 물질은 고온에서 변형됐으나 폴리이미드 소재는 400℃ 이상의 고온도 견딜 수 있어 변형이 나타나지 않기 때문에 이는 고온 공정이 필요한 다른 전기 소자에도 적용 가능하다.

제1저자인 구동환 에너지 및 화학공학과 박사과정 연구원은 "투명한 폴리이미드(PI)소재를 지지체·기판으로 사용해 잔여물도 없고 투명한 그래핀 전극을 얻었다"며 "그래핀 전극 위에 폴리이미드 기판을 직접 형성해 기판과 전극 사이의 접착력이 향상돼 내구성도 좋다"고 설명했다.

박혜성 교수는 "이번에 개발한 고성능 그래핀 전극은 유기 태양전지의 효율과 내구성 등을 크게 높였다"며 "향후 태양전지뿐 아니라 고성능 LED, 광센서 등 다양한 차세대 유연 광전소자 개발에도 큰 도움이 될 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 국제학술지 '줄 (Joule)' 온라인에 지난 6일 자로 선공개 됐으며 추후 출판될 예정이다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 미래창조과학부, 한국연구재단, 한국동서발전의 지원을 통해 이뤄졌다.