폴더블 열풍! 자가치유형 태양전지

폴더블 열풍! 자가치유형 태양전지

대학생신재생에너지기자단 22기 이지원, 22기 한예림, 22기 홍세은

 

[폴더블 특성에 주목하는 이유]

폴더블(Foldable)이란 ’접을 수 있다‘라는 뜻을 가진 단어이다. 현재 삼성의 Z폴드, Z플립, 중국 OPPO의 파인드 N, 샤오미의 미 믹스 폴드 등 여러 회사에서 폴더블폰을 출시하고 있으며, 17일 글로벌 시장조사 기업 IDC에 따르면 지난해 폴더블폰 출하량은 710만대로 2020년 190만 대에 비해 264.3%나 급증했다. IDC는 2020년부터 2025년까지 폴더블폰 시장이 연평균 69.9%의 고성장세를 유지해 2025년 출하량은 2760만 대에 달할 것으로 전망했다. 올해 전체 스마트폰 시장에서 폴더블폰이 차지하는 비중은 0.5% 수준이지만 2025년에는 1.8%까지 확대된다는 관측이다. 또한 폴더블 OLED 출하량은 올해 천만 개에서 2028년 1억 549만 개로 늘어나, 10배가 넘는 규모가 될 것이라고 전망했다.

[자료 1.  폴더블 OLED 출하량 전망 그래프]

출처 :samsung display

올해 OLED 디스플레이 시장에서 폴더블이 차지하는 비중은 약 1.6%이고 2028년에는 12.4%로 예상고 있다. 즉, 전체 OLED 스마트폰 10대 중 1대 이상에 폴더블 OLED가 적용되는 셈이다. 특히 같은 기간 바(Bar) 타입의 전통적 스마트폰의 연평균 성장률 3.1%와 비교했을 때, 40%의 성장률은 폴더블 OLED가 정체된 스마트폰 패널 시장의 확실한 성장 동력으로 자리 잡을 것이라는 예측도 가능하다. 이에 따라 경쟁사들의 폴더블폰 시장 진출도 잇따르고 있으며, OPPO는 지난해 12월 삼성전자의 갤럭시 Z폴드 시리즈처럼 좌우로 접었다 펴는 형태의 폴더블폰 '파인드 N'을 출시했다. 화웨이는 Z플립 시리즈와 같이 위아래로 접었다 펴는 'P50 포켓'을 선보였으며, 구글과 샤오미 또한 향후 폴더블폰을 내놓을 수 있다고 예측하였다.

그렇다면 이렇게 폴더블 시장의 규모가 커지는 이유는 무엇일까?

디스플레이, 배터리 용량, 충전 속도 등 기능적인 부분은 다른 기기와 비슷하지만 가격은 상대적으로 저렴하다. 일반 스마트폰 2개를 붙여 놓은 크기와 맞먹는 화면 크기를 가졌기에 영상을 볼 때나, 필기를 할 때 일반 스마트폰보다 편리하다. 즉, 1개의 단말기로 스마트폰의 간편한 휴대성과 태블릿의 넓은 화면을 누릴 수 있다는 최대 장점을 가지고 있는 셈이다. 또한 이런 큰 화면은 여러 개의 스마트 폰 앱을 동시에 이용할 수 있다. 예시로 동영상을 보면서 제품을 검색할 수 있고, 스포츠를 보면서 선수 정보를 찾아보는 것이 있다.

[자료2. 한 화면으로 여러 개의 앱을 실현할 수 있는 폴더블 폰]

출처:경향신문

또한 탁자 위에서 영상을 보기 위해서는 스마트폰 손잡이 액세서리를 써야 하는데, 이 또한 각도를 조절하기 쉽지 않다. 하지만 폴더블폰은 스마트폰을 원하는 각도로 접어 미디어를 볼 수 있다. 이러한 장점으로 현재 에이수스에서 세계 최초로 폴더블 노트북을 출시하는 등 폴더블 특성을 가진 제품들이 많이 나오고 있는 추세이다. 

[페로브스카이트 태양전지]

페로브스카이트 반도체를 사용한 태양 전지로써 페로브스카이트 구조를 가진 물질을 광흡수층으로 사용하는 태양 전지이다. 페로브스카이트란 티탄산 칼슘(CaTiO3)으로 이루어진 칼슘 타이타늄 산화광물이다. 

[자료3 . 페로브스카이트 구조]

출처:위키백과

칼슘 타이타늄 산화광물처럼 AMX3의 물질구성을 가지고 있는 물질도 해당된다. 이때, X는 보통 산소이거나 Cl, Br, I 같은 할로겐 원소이다. M은 보통은 배위수(coordination number)가 6인 금속이온인 경우가 많다. A는 배위수 12의 큰 원자로 Ca, K, Na, Pb, Sr 등의 금속이 사용된다.

[자료4. 페로브스카이트 일반 구조식]

출처: 네이버 지식백과

각 부분이 여러 가지 다른 요소와 결합하거나 화합물로 만들어질 수 있어, 매우 다양한 범위의 소재를 만들 수 있다. 페로브스카이트 태양 전지는 이러한 결정 구조를 가지고 있어 만약 특정 알칼리 금속을 첨가하면 태양 에너지의 전기 전환 효율을 약 19%에서 22%까지 끌어올릴 수 있다. 그중 세슘이나 루비듐 같은 알칼리 금속을 첨가하면 다른 성분들이 더 원활하게 결합하는데 도움이 돼 전기를 보다 쉽게 전도시키고, 태양 전지로서의 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 특성으로 지금까지 어떤 재료도 실현시키지 못한 압도적인 스피드로 변환 효율이 상승하고 있으며, 실리콘 전지에 육박하는 16% 이상의 변환 효율까지 진화하고 있는 태양 전지 중 하나이다.

[자료4. 페로브스카이트 태양전지 구조]

출처:인더스트리 뉴스

또한 저렴하고 간편한 제조 공정과 유연성 때문에 새로운 태양 전지 소재로 큰 관심을 모아 왔다. 기존의 태양 전지는 실리콘으로 만들어 값비싼 장비를 이용해 섭씨 1400도 이상의 온도에서 처리해야 한다. 하지만 페로브스카이트는 저렴한 장비를 사용해 100도 정도의 비교적 낮은 온도에서 액체 용액으로 처리가 가능하다. 또 페로브스카이트는 유연한 플라스틱을 비롯한 다양한 기판에 증착할 수 있다. 이는 두껍고 강성이 높은 실리콘 웨이퍼와 달리 새롭고 다양한 활용이 가능하다는 뜻이다.

하지만 햇빛이 태양전지 표면에 수직으로 비출 때만 최대 효율을 얻을 수 있으며, 열화가 매우 빠르다는 단점을 가지고 있다. 또한 전류 전압 곡선에서 전압 곡선이 전압 스위프 방향과 청소 횟수에 따라 곡선에 차이가 생겨 버리는 현상이 일어난다. 이를 ’히스테리시스 현상‘이라고 한다. 히스테리시스 현상이란 물질이 거쳐 온 과거가 현재 상태에 영향을 주는 현상으로, 어떤 물리량이 그때의 물리조건만으로 결정되지 않고 이전에 그 물질이 경과해 온 과정에 의존하는 특성을 말한다.

또한 전압을 거는 방법에 따라 변환 효율이 변동한다는 단점도 존재한다. 따라서 전체 효율성을 높이고 수명을 향상시키는 추가 작업이 필요하기에 실제 조건에서 내구성과 안전성을 추구하여야 할 필요성이 제기되고 있다.

[폴리머란?]

[자료5. 모노머와 폴리머]

출처: 자체제작

 폴리머(polymer)는 poly(많다)+mer(단위)의 합성어로, 많은 수의 저분자 기본단위(A)가 [A]n 형태로 결합해서 고분자 사슬을 이루는 물질이다. 즉, 동일 구조의 단위체(모노머)가 반복적으로 결합되어 형성된 거대분자이다.

고분자는 분자 자체의 배열을 이루는 1차 결합, 그리고 고분자 사이의 인력에 의한 물리적 결합인 2차 결합에 의하여 기계적인 물성을 나타낸다. 분자 골격을 이루는 모든 결합은 공유결합으로, 1차 결합에 해당한다. 2차 결합에는 이온결합, 수소결합, 쌍극자-쌍극자 상호작용 및 반데르발스 힘 등이 있다. 2차 결합은 1차 결합보다 약한 힘으로 연결되어 있어 쉽게 끊어진다.

[폴리머의 블록공중합체]

공중합체(copolymer)는 하나의 모노머로 이루어진 homopolymer와 달리 두 개 이상의 모노머가 포함된 폴리머이다. 공중합체를 통해 고분자의 물성을 변화시킬 수 있다.

[자료6. 공중합체 종류]

출처: Recent advances in alternating copolymers:

The synthesis, modification,and applications of precision polymers

 본 기술에서는 블록공중합체를 적용하였다. 블록공중합체는 서로 다른 두 개의 homopolymer의 한쪽 끝단이 연결된 모습을 하고 있는 형태이다.

[자가치유형 태양전지]

앞서 살펴봤듯이 페로브스카이트는 전기전도성이 우수하고 빛을 전기로 전환하는 효율이 높아 차세대 태양전지 개발의 핵심재료로 꼽히지만, 유기물에 비해 유연성과 신축성이 떨어지는 단점이 있다. 특히 차세대 전자기기는 접히는 디스플레이, 사람이 직접 착용하거나 몸에 부착하는 바이오센서 등 높은 신축성과 유연성이 요구되는 형태로 발전하고 있어, 페로브스카이트의 부족한 기계적 안정성을 보완할 수 있는 유연하고 신축성 있는 소재 및 소자 개발이 필요한 실정이다.

[자료7.  자가치유형 태양전지의 자가 치유 매커니즘]

출처: 헤럴드경제

 

[자료8. 휘어짐에도 성능이 유지되는 모습]

출처: 헤럴드경제

 

 반복되는 휘어짐에도 스스로 회복하는 특수 기능기를 포함한 블록공중합체를 합성하여 페로브스카이트 광활성층(태양전지에서 태양 빛을 흡수해 전자와 정공을 분리하고 전력을 만드는 핵심소재층)의 유연성을 높이는 기술이 개발되었다. 이 시스템은 기계적 변형을 주면 고분자 사슬 중간의 수소결합이 일시적으로 끊어졌다가 외력이 없어지면 자체적으로 수소결합이 재형성되는 메커니즘으로 작동한다. 이 공중합체는 고무 같은 탄성중합체 블록을 포함하여 페로브스카이트 박막의 유연성을 증가시키고, 루이스 염기 기능기를 포함하여 페로브스카이트 표면에 생성되는 결함을 최소화하도록 설계되었다. 루이스 염기는 루이스의 전자쌍 이론으로 정의되는 염기로, 전자쌍을 내어주는 물질이며 그 예로는 H₂O, NH₃ 등이 있다.

 

[자료9. 고리화합물 예시]

출처: Physics Wallah

또한 블록공중합체에 포함된 고리화합물은 다른 구조에 비해 큰 몸집을 가지고 있어 수소결합 양쪽의 고분자 사슬이 서로 적당한 거리를 유지하며 결합하도록 도와준다. 이로써 고분자 공중합체끼리의 수소결합이 너무 세거나 너무 약하게 작용하지 않게 된다.

그 결과 화학적 결합과 물리적 결합이 섞여 있는 새로운 형태의 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 네트워크가 형성돼 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상되었다. 또한 정상상태의 빛을 전기로 전환되는 광전효율이 22.61%에 달했으며, 휘어졌을 때의 광전효율은 23.25%를 유지했다. 새로운 태양전지는 광전변환 효율과 수명이 높아졌고 수천 번의 강한 휘어짐 실험에도 성능을 유지했으며, 나아가 수소결합 가역성에 의해 스스로 성능이 복구되는 특성을 구현하였다.

 [페로브스카이트 태양전지의 환경문제 해결]

지금 시중에 사용하고 있는 태양전지는 산림 파괴 등과 같은 환경문제로 보완되어야 할 점이 많다. 페로브스카이트 태양전지의 경우에는 어떤 환경문제가 있는지 알아보자. 

페로브스카이트는 결정성장 및 표면 패시베이션에 사용되는 기존 첨가물들이 일정하지 않은 길이와 합성할 때 환경오염을 일으키는 용매를 사용하여 환경문제가 발생할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 한국연구재단의 연구팀은 기존에 사용했던 화학첨가물 대신에 배양을 통해 대량으로 얻을 수 있는 박테리오파지를 사용했다. 박테리오파지 표면의 아미노산이 페로브스카이트 표면의 납과 결합하여 표면결함을 보정해주어 본래 첨가물의 역할을 성공적으로 해주었다. 또한, 박테리오파지로 페로브스카이트 결정이 성장하는 효과를 거두었다. 이것을 이용해 페로브스카이트의 더 큰 결정 성장을 유도하여 박막을 만들었고, 결과적으로 태양전지 효율이 22.3%에 달하였다.

포스텍의 연구팀은 태양전지 제작 시 ‘에틸렌 글라이콜 겹사슬’을 도입하여 정공전달 고분자 물질인 Alkoxy-PTEG을 개발했는데, 이 물질은 페퍼민트오일과 호두향식품첨가제에 녹을 수 있게 하여 기존에 사용하였던 환경오염을 일으키는 용매 대신에 페퍼민트오일과 호두향식품을 사용할 수 있게 되었다. 결과적으로, 페퍼민트오일과 호두향식품을 통해 각각 19.9%와 21.2%의 효율을 얻었다. 또한, 개발된 고분자 물질은 노화된 페로브스카이트 태양전지에서 납이 누출되지 않도록 하는 역할도 있는 것으로 확인되어 페로브스카이트 태양전지의 단점을 보완할 수 있다.

이 연구들은 환경오염을 일으키는 물질을 사용하지 않고 친환경적인 바이오 물질을 대체재로 사용하여 더 큰 효율을 낼 수 있다는 점에서 의의가 있다.

 [응용 동향 및 연구 방향 제시]

현재 시중에서 태양전지 점유율 90%를 차지하고 있는 실리콘을 소재로 한 태양전지는 효율이 매우 적다는 점과 제조공정이 복잡하다는 점으로 미래 태양전지 산업을 이끌 수 없다. 그래서 이번에 개발된 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 단점을 보완하고, 휘어져도 스스로 회복하는 특수 기능기를 포함한 블록공중합체 합성과 수소결합 가역성에 의해 스스로 성능이 복구되는 특성을 통해 자가치유형을 구현하였기에 신축성과 유연성을 요구하는 차세대 전자기기의 방향성과도 적합하여 기대가 크다. 최근에 접히는 디스플레이나 사람이 직접 착용하는 바이오 센서와 같이 유연하고 신축성이 뛰어나도록 제품이 만들어지고 연구되고 있어서 휘어져도 다시 복구되는 페로브스카이트 태양전지 기술은 전자기기 산업에서 사용되기에 적합하다. 더불어, 전자기기 중에서도 특히 개인 휴대용 기기와 개인의 신체 부착형에서의 태양전지 기술이 연구된다면 전자기기 산업의 발전에 큰 역할을 할 것이다.

 

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태양전지에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

 

1. "유리야, 태양전지야? 투명 태양전지의 등장", 19기 정지영, 20기 서범석, https://renewableenergyfollowers.org/3649

유리야, 태양전지야? 투명 태양전지의 등장

2. "태양전지의 블루칩, 페로브스카이트",  18기 서현영, 19기 김아현, 서명근, https://renewableenergyfollowers.org/3288

태양전지의 블루칩, 페로브스카이트

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참고문헌

[폴더블 특성에 주목하는 이유]

1) Newsis, "폴더블폰 시장 규모 2025년 2760만대"…대세화 시작되나“, 2022.2.18., https://newsis.com/view/?id=NISX20220217_0001763481

2) 유재원, 경기일보, ”[꿈구는 경기교육] 폴더블폰은..정말 편리한가“, 2022.08.25., https://www.kyeonggi.com/article/20220825580200

3) Samsung Newsroom, ”[폴더블 폰 활용팁] 일상 속 폴더블 폰이 빛나는 순간들“, 2021.04.14., https://news.samsung.com/kr/%ED%8F%B4%EB%8D%94%EB%B8%94-%ED%8F%B0-%ED%99%9C%EC%9A%A9%ED%8C%81-%E2%91%A0-%EC%9D%BC%EC%83%81-%EC%86%8D-%ED%8F%B4%EB%8D%94%EB%B8%94-%ED%8F%B0%EC%9D%B4-%EB%B9%9B%EB%82%98%EB%8A%94-%EC%88%9C%EA%B0%84

4) 윤현종, Cnet news, “이수스, 세계 첫 17인치 폴더블 노트북 ‘젠북 17 폴드 OLED’ 출시, 2022.09.26, https://www.cnet.co.kr/view/?no=20220926092519

 [페로브스카이트 태양전지]

1) KaNonx카논, ”페로브스카이트 태양 전지란 무엇일까?“, 2020.3.19., https://kanonxkanon.tistory.com/3619

2) 데이비드 L. 챈들러, MIT News, “상용화 가까워지는 페로브스카이트 태양전지”,2019.2.7., https://news.mit.edu/2019/perovskites-microstructure-solar-cells-0207

3) 정한규, 인더스트리 뉴스, “[칼럼] 가속화되는 ‘페로브스카이트 태양전지’ 개발, 태양광발전의 미래될까?”, 2020.12.30, https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=40841

4) 페로브스카이트, 위키백과, https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8E%98%EB%A1%9C%EB%B8%8C%EC%8A%A4%EC%B9%B4%EC%9D%B4%ED%8A%B8

5) 페로브스카이트, 물리학백과, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5741273&cid=60217&categoryId=60217

[폴리머란?]

1) Robert J. Young, “Copolymerization”, Introduction to Polymers, CRC Press, 217, 2013.03

[폴리머의 블록공중합체]

1) Jing Huang, Turner S Richard, “Recent advances in alternating copolymers: The synthesis, modification,and applications of precision polymers”, ScienceDirect, 10, 1016, 572-586, 2017.05

[자가치유형 태양전지]

1) 박병인, “한국연구재단, 자가치유형 태양전지 개발”, 투데이에너지, 2022.11.15, http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=254545

2) 한국연구재단, 반복되는 변형에서 스스로 복구되는 자가치유형 태양전지 개발, 2022.11.01, https://www.nrf.re.kr/cms/board/subject/view?menu_no=95&nts_no=187386

[페로브스카이트 태양전지의 환경문제 해결]

1) 이기종, 한국연구재단, 페로브스카이트 태양전지 ‘환경적 문제’ 해결 방안 제시, 뉴스프리존, 2021.09.09., http://www.newsfreezone.co.kr/news/articleView.html?idxno=335147

2) 김하연, 포스텍 , ‘페퍼민트오일-호두향 식품첨가제’로 페로브스카이트 태양전지 만든다, 베리타스알파, 2020.02.13., http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=312875

[응용 동향 및 연구 방향 제시]

1) 육심무, 납 유출막는 페로브스카이트 태양전지 기술 개발, 위키트리,2021-12-27, https://www.wikitree.co.kr/articles/719666

2) 임호동, [친환경 미래기술] 지속가능한 에너지 찾는 '태양전지', 그린포스 코리아, 2022.05.06., http://www.greenpostkorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=200727

3) 정은모, 한국연구재단, 변형시 스스로 복구되는 '자가치유형 태양전지' 개발, 전국 매일 신문, 2022.11.02., http://www.jeonmae.co.kr/news/articleView.html?idxno=921945