과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS) 에너지전자재료연구실 김소연, 임동찬 박사 연구팀은 국내 최초로 유기물 기반의 스마트 창호 필름을 개발했다. 해당 기술은 유기태양전지의 효율과 투명도를 개선하고, 대면적 유연 모듈화는 물론 전기변색 필름과의 융합화 후에도 우수한 성능을 나타내는 것을 확인했다.
스마트 창호(smart window)는 상황에 따라 색을 변화시켜 밝기를 조절함으로써 건물의 에너지 손실을 줄일 수 있다. 하지만 기존의 스마트 창호 기술은 무기물을 기반으로 제작돼 고온 공정을 필요로 하거나 유연성 측면에서 문제를 보였다. 연구팀은 유기물을 기반으로 높은 성능을 갖는 태양전지와 전기변색 소자의 제작을 통해 이 문제를 해결했다.
연구팀은 전자수송층과 광활성층 사이에 유기분자를 도입해 고효율 유기태양전지를 제작했다. 이를 통해 전자수송층과 광활성층 사이의 계면 접합 측면에서 특성을 높여 향상된 유연성을 얻고 대면적 소자화에서도 좋은 성능을 얻을 수 있었다. 특히 해당 기술을 통해 전기 생산은 물론 태양전지의 전기에너지로 스스로 빛의 밝기를 조절하도록 하는 유기계 전기변색-태양전지 융합 모듈을 제작하는 데 성공했다.
스마트 창호의 시장 규모는 2023년 기준 약 823억달러(약 94조원)에 이를 것으로 예측되며, 정부의 탄소중립 및 그린뉴딜 정책으로 시장전망이 밝은 편이다. 본 기술이 적용된 스마트 창호는 기존 건축물뿐만 아니라 곡률이 있는 곳에도 적용할 수 있어 향후 자동차, 항공기 등과 같은 다양한 시장으로의 확대도 가능할 것으로 전망된다.
연구책임자인 김소연 선임연구원은 “이번 연구는 유기물을 기반으로 고성능의 태양전지와 전기변색 소자를 융합해 스마트 창호 시장의 새로운 방향을 제시했다는 측면에서 큰 의미가 있다”고 말했다. 또한 임동찬 책임연구원은 “유기태양전지와 전기변색 소자뿐만 아니라 사물인터넷(IoT) 센서와의 융합을 통해 향후 스마트시티 구축에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
본 연구 성과는 과학기술정보통신부 소재혁신선도프로젝트사업 및 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 2021년 산업통상자원부 스마트 특성화 기반구축사업을 통해 양산화 기술 개발 및 관련기업 지원에 나설 예정이다.
한편, 이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 네이처(Nature) 자매지인 ‘커뮤니케이션 머티리얼즈(Communications Materials)’에 3월 3일자로, ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 5월 7일자 및 ‘켐 서스 켐(Chem Sus Chem)’에 5월 30일자로 게재됐으며 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 4월 7일과 6월 18일자에 각각 온라인으로 동시 게재됐다.
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