기존태양전지단점을극복한유기및무 유기하이브리드형태양전지개발 한국화학연구원광에너지융합소재연구그룹 연구그룹장 윤성철 주소 대전유성구가정로 141 한국화학연구원 (305-600) 전화 042) 860-7203 팩스 042) 860-7200 E-mail yoonsch@krict.re.kr 홈페이지 http://www.krict.re.kr 임인재객원기자 / mimohhh@naver.com 2013. 07 화학세계 35
신진선도연구기관 한국화학연구원광에너지융합소재연구그룹 ( 그룹장윤성철 ) 은최근각광받고있는신재생에너지분야중태양전지관련연구를진행하고있다. 연구그룹은실리콘소재, 염료감응형태양전지소재, 유기태양전지및무 유기하이브리드태양전지등태양전지소재의원천기술과소자화기술등을보유하고있다. 특히연구그룹은태양전지관련소재합성, 소자제작을통한성능평가및모듈화공정개발등태양전지관련전공정에대한기술개발을진행하고있으며, 이를위한다양한인프라를구축하고있다. 연구그룹의성과는지난 2011 년 무 유기하이브리드태양전지분야국가연구개발우수성과 에선정됐으며최근에는세계에서가장높은효율을가진무 유기하이브리드태양전지를개발했다. 이전지는기존의태양전지의기술적한계를극복한고효율 저가격 고내구성의무기- 유기하이브리드이종접합태양전지이다. 이연구성과는네이처포토닉스지 2013 년 4월호연구하이라이트 (Research Highlight) 에소개됐으며나노레터스 (Nano Letters) 지 4월호의주요논문으로실리는등다양한국제학술지에게재됐다. 이외에도연구그룹은태양전지관련연구개발성과를 글로실, 코오롱, 오영산업 등기업체에이전해실질적인상업화를추진중에있으며기존태양전지의문제점을해결하기위한공정, 소재연구도진행중이다. 그림 1. 한국화학연구원광에너지융합그룹주요연구내용및응용분야 기업에기술이전활발 연구그룹은태양전지용다결정실리콘잉곳소재기술을개발해기업체인 ( 주 ) 글로실에이전했다. 현재 ( 주 ) 글로실은이 기술을기반으로세계최초의 6 세대형잉곳공장을대구달성공단에설치했다. 그리고연구그룹은염료감응태양전지의 36 화학세계 2013. 07
기본소재인 N719 및 Z907 염료의고성능화양산기술을개발, ( 주 ) 오영산업에이전해상업화가진행중이다. 유기태양전 지분야에서는고 Voc 용신규억셉터소재개발에성공해 코오롱인더스트리에기술을이전하였으며, 현재소재상업화 를위해개발진행중이다. 그림 2. 광에너지융합소재연구그룹기술이전성과 유기태양전지용소재연구 연구그룹은 2004 년부터유기태양전지용광활성층소재 ( 도너 / 억셉터 ) 개발을진행해왔다. 최근에는 8% 대의효율을가 진고분자도너소재및 Voc 개선을통해에너지변환효율을 20% 이상향상시킬수있는 bis-adduct 형플러렌계억셉터 소재를개발했다. 윤성철그룹장은 소재의성능평가시스템을구축해객관적이고신뢰성높은소자제작을진행하고있다 며 이를통해 개발된소재가높은효율을지닐수있도록연구를수행중이다 고설명했다. 특히, 연구그룹은유기태양전지상업화를위한핵심기술인바코팅, 슬롯다이인쇄, 잉크젯인쇄, 에어로졸젯인쇄, 스크린인쇄, 그라비아인쇄등의유기태양전지제작을위한인쇄공정기술개발에주력하고있다. 이연구성과는향후유기태양전지의롤투롤연속인쇄를통한상업화에기여할것으로예상된다. 이와더불어연구그룹은용액공정유기태양전지용저분자계광활성층소재의개발도진행하는등다양한종류의유기태양전지용소재및소자화연구를추진중이다. 그림 3. 인쇄유기태양전지 ( 좌 ) 인쇄장비 / 단위소자및 ( 우 ) 모듈 2013. 07 화학세계 37
신진선도연구기관 무 유기하이브리드전지개발 지금까지개발된태양전지는고가인반도체박막태양전지, 효율이비교적높고저가에제조가가능하지만장기안정성에 문제를가진염료감응태양전지, 저가로제조가가능하지만광안정성이매우낮은유기태양전지등이있다. 이에연구그룹은기존태양전지의문제를해결하는무 유기하이브리드전지를개발하고있다. 이전지는낮은비용, 높은효율이기대되는염료감응태양전지의구조적장점을활용하면서액체전해질사용에따른문제점을해소할수있는 새로운개념의태양전지로평가받고있다. 즉, 엑시톤의분리가용이하면서용액공정에의해낮은가격이가능한무기반도 체나노입자 ( 양자점 ) 를광감응제로사용하면서, 유기태양전지에서사용하는공액고분자를추가적인광흡수및홀전도성 소재로활용한무 유기이종접합무기반도체나노입자 ( 양자점 ) 감응형태양전지를연구하고있는것이다. 윤성철그룹장은 다년간축적된무 유기소재합성기술과소자제작기술을통해무 유기하이브리드형태양전지분 야에서세계적인연구성과를내놓았다 며 연구결과는네이처포토닉스, 나노레터스등에게재하고있으며이를통해이분야연구를선도하고있다 고밝혔다. 현재연구그룹은무 유기하이브리드태양전지의고효율화를위해새로운구조의무기및유기소재개발과태양전지소자의최적화에대한연구를수행하고있으며상업화를위한모듈화작업에대한기초연구도병행하고있다. 또한광으로부터직접전기적에너지를얻는태양전지외에도이개념을쉽게활용할수있는다른형태의에너지인광에너지융합소재도개발하고있는중이다. 그림 4. 무 / 유기하이브리드태양전지구조 염료감응형태양전지소재 그리고연구그룹은기존태양전지의고성능화를위해기본소재의저가화, 고효율화, 내구성증진등에대한연구개발 도지속적으로수행하고있다. 윤그룹장은 염료감응태양전지 (DSSC) 의핵심이되는신규고성능염료의설계와합성, 광전극소재개발등을진행중이다 고밝혔다. 특히연구그룹은전고체형플렉서블염료감응태양전지에적합한홀전도 그림 5. DSSC 용염료 ( 좌 ), 평가장비 ( 중 ) 및 DSSC 소자 ( 우 ) 38 화학세계 2013. 07
물질과광전극소재, 신규염료등의개발에중점을두고연구를수행중이다. 고순도실리콘제조공정개발 연구그룹은 1980 년대중반부터반도체와태양전지용실리콘소재개발을해온역량을토대로트리클로로실란 (TCS) 으 로부터 EG(Electronic grade)/sog(solar Grade) 급고순도실리콘을제조하는공정을개발해오고있다. 또한이들 SoG 실리콘원료를기반으로용융및결정성장공정에의해태양전지용다결정실리콘잉곳을제조하는기술을확보했으며기업에기술이전하여세계최초로 6세대형공장을완공했다. 2011 년에는생산성을더욱극대화한다중잉곳제조제조기술을확보해상용화를추진하고있다. 윤그룹장은 최근각광받고있는유사단결정잉곳제조기술을단기간내상용화하는것을목표로연구개발을진행하고있다 고밝혔다. 그림 6. Multi-crystalline Si 잉곳제조공정 (KRICT-ADS 기술 ) 제조공정단순화하는소재개발 연구그룹은또인쇄전자기술을통해기존의진공증착을통한박막트랜지스터 (TFT) 어레이또는유기발광소자 (OLED) 제조공정을단순화할수있는소재및공정개발을진행중에있다. 윤성철그룹장은 기본적으로박막트랜지스터의기본소재들을인쇄공정에적합한맞춤형소재로개발하고자한다 며 TFT 제조의기본공정을인쇄공정으로수행할수있는인쇄공정개발을병행하고있다 고설명했다. 최근에는소재개발및공정개선을통해우수한전하이동도를갖는유기 TFT 소자를개발하했다. 그리고인쇄공정용 2013. 07 화학세계 39
신진선도연구기관 유무기하이브리드 TFT 핵심소재에대한개발도진행되고있다. 이뿐만아니라용액 인쇄공정에적합한 OLED 조명용정공수송층, 발광층등에관한연구도함께진행하고있다. 그림 7. ( 좌 ) 본연구진에서개발한인쇄공정소재를이용하여잉크젯인쇄공정으로제작한 flexible TFT 어레이 ( 평균전하이동도 0.3 cm2v-1s-1) 및 ( 우 ) 스핀코팅법으로제작한백색 OLED 광에너지융합소재연구그룹장윤성철 한국화학연구원광에너지융합소재연구그룹은... 우리연구그룹은 2013 년유사단결정실리콘잉곳소재, 2016 년유기태양전지, 2020 년무 유기하이브리드태양전지등의상업화를목표로삼고있습니다. 관련개발기술을디스플레이와전자부품등정보전자산업에파급적용하는것을최종목표로설정하고연구개발을수행중입니다. 광에너지융합소재연구그룹을이끌고있는윤성철그룹장은 우리는태양전지전분야의핵심소재및소자제작공정기술을개발하고있으며이분야의세계적선도그룹으로거듭나고있다 고밝혔다. 윤그룹장은 1992 년한양대공업화학과를졸업한후서울대화학과에서석 박사를취득했다. 1997 년부터 2001 년까지삼성종합화학연구소선임연구원으로재직하여 올레핀 스티렌중합용단일자리촉매 (single site catalyst) 및중합체 개발을했으며 2001 년부터 2004 년까지는 LG 전자기술원소자재료연구소책임연구원으로지내면서 인광 OLED 용재료및소자 를개발했다. 2004 년부터한국화학연구원에몸을담고있으며 광 전기능성유기 고분자소재및인쇄공정기술 개발을담당하고있다. 대한화학회와는 2004 년부터종신회원으로인연을맺었으며대한화학회고분자분과운영이사 (2005 년-2006 년 ), 한국고분자학회기획이사 (2012 년 ) 및한국고분자학회분자전자부문위원회총무이사 (2011 년 ) 등을역임했다. 연구그룹에는현재 12명의정직원을포함하여총 45명의석박사급연구원들이연구를수행중이며파트별로는유기태양전지분야 (30 여명 ), 무 유기하이브리드태양전지분야 (10 여명 ) 및실리콘잉곳소재분야 (4명 ) 를맡고있다. 40 화학세계 2013. 07
광에너지융합소재연구그룹연구원을소개합니다! 신원석선임연구원 전공 : 유기화학 연구분야 : 유기전자소재개발유기태양전지소자 E-mail: shinws@krict.re.kr 강영훈연구원 이상규선임연구원 전공 : 무기재료 연구분야 : 광전기능성소자인쇄공정 E-mail: yhkang@krict.re.kr 전공 : 고분자화학 연구분야 : 유기전자재료 E-mail: skyulee@krict.re.kr 노준홍선임연구원 이재민선임연구원 전공 : 재료공학 연구분야 : 광에너지변환소재및소자 E-mail: jhnoh@krict.re.kr 전공 : 고분자화학 연구분야 : 공액계고분자및용액공정 OLED 재료 E-mail: jminlee@krict.re.kr 문상진책임연구원 이종철책임연구원 전공 : 화학공학 연구분야 : 실리콘소재, OPV/DSC 소자, 광촉매 E-mail: moonsj@krict.re.kr 전공 : 유기화학 연구분야 : 유기전자재료유기광전자소자 E-mail: leejc@krict.re.kr 석상일책임연구원 이창진화학소재연구본부장 전공 : 무기재료공학 연구분야 : 하이브리드나노소재광에너지소재및소자 E-mail: seoksi@krict.re.kr 전공 : 전기유기화학 연구분야 : 유기전자재료 E-mail: cjlee@krict.re.kr 소원욱책임연구원 조성윤책임연구원 전공 : 화학공학 연구분야 : 태양전지용실리콘소재염료감응태양전지용소재및소자 E-mail: wwso@krict.re.kr 전공 : 고분자화학 연구분야 : 유기전자소자용반도체소재인쇄공정 E-mail: scho@krict.re.kr 2013. 07 화학세계 41