실내 발전·센서 기능 충돌 문제 해결…“미니멀리즘 설계로 IoT·웨어러블 기기 상용화 앞당겨”

고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 심재원 교수 연구팀이 전력 생산과 빛 감지를 동시에 수행할 수 있는 ‘이중기능 광변환 소자(Bifunctional Photonic Conversion Device)’ 핵심 기술을 개발했다. 이번 연구는 동국대학교 조제웅 교수 연구팀과의 공동연구로 수행되었으며, 차세대 자가구동형 IoT 및 웨어러블 기기의 핵심 기술로 평가받고 있다.

최근 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 스마트홈 기술 확산으로 스스로 에너지를 충전하며 외부 환경을 감지할 수 있는 광센서 수요가 급증하고 있다. 그러나 전력 생산과 빛 감지 기능은 상충되는 물리적 조건을 요구한다. 전력을 효율적으로 생산하기 위해서는 광전류를 극대화해야 하지만, 이 과정에서 감지 회로가 혼선을 일으키기 쉽다. 반대로 감지 기능을 강화하면 전류 흐름이 제약되어 발전 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이 같은 한계를 해결하기 위해 새로운 계면소재 ‘벤젠 포스포닉산(Benzene Phosphonic Acid, BPA)’을 개발했다. BPA는 불필요한 화학적 결합을 제거한 단순한 분자 구조로, 전극 표면에 균일하고 안정적인 단일층을 형성한다. 이 단일층은 전하 이동 경로를 최적화해 광전 변환 효율을 높이고, 동시에 빛 감지 기능의 간섭을 최소화한다. 즉, 복잡한 회로나 별도의 조정 장치 없이도 발전과 감지가 한 번에 가능한 것이다.

실험 결과, BPA 기반 이중기능 소자는 실내조명 수준의 광 환경에서도 28.6%의 전력변환효율(PCE)을 달성했다. 이는 기존 소재보다 크게 향상된 성능으로, 고효율 태양전지 수준에 근접한 수치다. 또한 소자의 면적을 200배 이상 확장한 조건에서도 90% 이상의 효율을 유지해, 대면적 공정과 상용화 가능성을 동시에 입증했다. 특히 BPA의 단순한 구조는 합성 공정을 대폭 간소화하여 기존 소재(2PACz) 대비 제조비를 7배 절감, 비용 대비 효율을 9배 향상시키는 결과를 얻었다.

심재원 교수는 “이번 연구의 핵심은 복잡한 화학 합성을 최소화한 ‘미니멀리즘 설계(minimalistic synthesis)’를 통해 성능과 경제성을 동시에 확보한 것”이라며 “BPA 기반 이중기능 광변환 소자는 실내 발전과 센서 기능의 충돌 문제를 근본적으로 해결해, 자가구동형 IoT·웨어러블 기기 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 다학제 융합 분야의 세계 최고 권위 학술지 『Advanced Materials』(IF 26.8) 9월 6일자 온라인판에 게재됐다. 논문명은 「Bifunctionally Driven Organic Photonic Conversion Devices Facilitated by Minimalistic Synthesis-Based Interfacial Energetic Alignment」이며, 고려대 전기전자공학부 오승현·김희천 석·박사과정생, 김태혁 박사, 동국대 에너지신소재공학과 이지현 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단(NRF)과 산업통상자원부(MOTIE)의 지원으로 수행됐다.