부산대 이형우·오진우 교수팀, 고성능 섬유형 광전자소자 개발

한국재료연구원과 공동연구… 자가조립 단분자막 2PACz 적용해 효율 20%·수명 2배 이상 향상

부산대학교 연구진이 차세대 웨어러블 전자기기와 스마트 섬유에 적용할 수 있는 고성능 섬유형 광전자소자를 개발했다. 부산대는 첨단융합학부 미래에너지전공 이형우 교수와 오진우 교수 연구팀이 한국재료연구원 송명관 박사 연구팀과 공동으로 자가조립 단분자막 기반 소재인 2PACz를 적용한 고효율·고안정성 섬유타입 광전소자를 개발했다고 26일 밝혔다. 이번 연구는 섬유형 태양전지, 유기발광다이오드, 가스센서 등 다양한 소자에 공통으로 적용할 수 있는 계면 제어 기술을 제시한 성과다.

섬유형 전자소자는 옷감처럼 유연하게 구부러질 수 있어 웨어러블 전자기기와 스마트 섬유 분야에서 주목받고 있다. 그러나 휘어짐과 외부 환경 변화에 자주 노출되는 특성상 성능뿐 아니라 장기 안정성을 확보하는 것이 핵심 과제로 꼽혀 왔다.

그동안 페로브스카이트 태양전지, 유기태양전지, OLED 등 광전자소자에는 정공주입층 소재로 PEDOT:PSS가 널리 사용돼 왔다. 정공주입층은 정공 주입을 촉진하고 양극 계면에서 에너지 장벽을 낮추는 역할을 한다. 다만 PEDOT:PSS는 공정성이 우수하지만 산성 특성과 수분 흡수 문제로 장기간 사용할 경우 소자 열화와 성능 저하를 일으킬 수 있다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 금속산화물 표면에 강하게 결합하는 초박막 구조의 자가조립 단분자막 소재 2PACz를 도입했다. 자가조립 단분자막은 고체 표면에 특정 분자들이 스스로 달라붙어 규칙적으로 배열되며 형성되는 한 층 두께의 얇은 막이다.

2PACz는 표면의 계면 결함을 줄이고 전하 이동을 원활하게 해 소자의 전기적 특성을 개선하는 역할을 한다. 특히 매우 얇은 층만으로도 효과를 낼 수 있어, 유연성과 경량성이 중요한 섬유형 소자에 적합하다. 연구팀은 카바졸 기반 구조와 인산기를 갖는 2PACz 분자를 활용해 금속산화물 표면에 안정적으로 결합하도록 했고, 이를 통해 전하 이동 효율을 높였다.

실험 결과, 2PACz를 적용한 섬유형 태양전지는 광전효율이 기존 5.67%에서 6.83%로 향상됐다. 이는 약 20%의 성능 개선에 해당한다. 섬유형 그린 OLED 소자도 외부양자효율이 기존 대비 약 17% 향상된 10.71%를 기록했다.

수소 가스센서에서도 응답 특성이 개선돼 약 6초 수준의 반응 시간을 보였다. 소자 수명은 PEDOT:PSS를 사용했을 때보다 2배 이상 안정한 것으로 나타났다. 이번 결과는 하나의 계면 소재 기술이 태양전지, 발광소자, 센서 등 여러 섬유형 전자소자에 동시에 적용될 수 있음을 보여준다.

이형우 부산대 교수는 이번 연구가 구조가 간단한 자가조립 단분자막을 활용해 광전자소자의 효율과 수명을 동시에 향상시킨 데 의의가 있다고 밝혔다. 이어 웨어러블 전자기기와 스마트 섬유, 차세대 에너지소자 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다고 말했다.

이번 연구는 부산대 이형우 교수와 오진우 교수, 한국재료연구원 송명관 박사가 공동 교신저자로 참여했으며, 부산대 휴머노이드 후각 디스플레이센터 김재호 박사가 제1저자로 수행했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 글로벌선도연구센터 지원, 한국재료연구원 기본사업 지원을 받아 진행됐다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘Nano Convergence’ 온라인판 5월 8일자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Interfacial Dipole-Engineered Fiber Optoelectronic Devices with Enhanced Efficiency and Stability’다. 이번 성과는 섬유형 광전자소자의 계면을 정밀하게 제어해 효율과 안정성을 함께 높인 연구로, 차세대 웨어러블 광전소자 플랫폼 기술의 기반을 제시한 사례로 정리된다.

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