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| ▲ 김기환·김윤희 교수 연구팀(왼쪽부터 나노신소재융합공학과 김미현 연구원, 화학과 Karina Ayu Larasati 연구원, 분자제어연구소 박사후연구원 송세영 박사, 화학과 김윤희 교수, 신소재공학부 고분자공학전공 김기환 교수). |
[뉴스앤톡] 경상국립대(총장 권진회)는 공과대학 신소재공학부 고분자공학전공 김기환 교수와 자연과학대 화학과 김윤희 교수 공동 연구팀이 곁사슬 구조를 정밀하게 제어한 신규 고분자 도너 소재를 개발하고, 이를 삼원계 유기태양전지에 적용해 기존 이성분계 소자 대비 광전변환 성능을 향상시켰다고 밝혔다.
유기태양전지는 가볍고 유연하며 용액 공정을 통해 대면적으로 제작할 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근에는 기존 도너(전자를 내놓는 물질)와 억셉터(전자를 받는 물질)로 구성된 활성층에 제3의 광활성 소재를 첨가하는 삼원계(ternary) 전략으로 광흡수와 전하 수송을 높이려는 연구가 활발하다. 다만 제3 성분의 분자 구조에 따라 기존 소재와의 상용성(compatibility)이나 응집·분자 배열이 달라질 수 있고, 과도한 응집이나 부적절한 상분리는 오히려 소자 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 것이 과제로 남아 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 동일한 BDTT 기반 공액 골격에 diester-functionalized terephthalate 단위를 도입하되, 곁사슬 구조만 달리한 두 종류의 넓은 밴드갭(wide-bandgap) 고분자 게스트 도너 BDT-TS-6과 BDT-TS-20을 설계·합성했다. BDT-TS-6에는 짧은 선형 C6 곁사슬을, BDT-TS-20에는 부피가 큰 장쇄 분지형 C20 곁사슬을 각각 도입해 곁사슬의 길이·분지 구조·입체적 크기가 고분자의 응집과 상용성, 분자 패킹에 미치는 영향을 체계적으로 비교했다.
분석 결과, 짧은 선형 곁사슬을 가진 BDT-TS-6은 호스트 소재(PM6:Y6)와 상대적으로 우수한 상용성을 보이며 정돈된 분자 패킹을 형성한 반면, 장쇄 분지형 곁사슬의 BDT-TS-20은 강한 자기 응집과 비정질적 특성을 나타냈다. 특히 BDT-TS-6 기반 삼원계 활성층은 보다 가까운 π–π 적층(파이-파이 적층)과 향상된 분자 질서도를 보였으며, 이러한 구조적 특성이 전하 재결합 억제와 효율적인 전하 추출·수송으로 이어졌다. 그 결과, BDT-TS-6과 BDT-TS-20을 각각 적용한 삼원계 유기태양전지는 모두 기존 PM6:Y6 이성분계 소자보다 향상된 광전변환 성능을 나타냈으며, BDT-TS-6 기반 소자가 가장 우수한 성능을 기록했다.
이번 연구는 새로운 고분자 소재를 개발하는 데 그치지 않고, 고분자 게스트 도너의 곁사슬 구조가 응집·상용성·분자 패킹 및 전하 수송 특성을 변화시켜 삼원계 유기태양전지 성능을 좌우하는 과정을 체계적으로 규명했다는 점에서 향후 고효율 삼원계 유기태양전지 설계 전략 수립에 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 G-LAMP사업 등의 지원으로 수행됐으며, 그 결과는 'Controlling Molecular Packing via Side-Chain Engineering of BDTT-Based Guest Donors for High-Performance Ternary Organic Solar Cells'(제1저자 김미현·Karina Ayu Larasati)이라는 제목으로 9월 3일 국제학술지 《Small》(IF 11.8, JCR 상위 8.1%)에 온라인 게재됐다.
김기환 교수는 "이번 연구는 게스트 도너의 분자 구조 제어를 통해 활성층 내 전하 재결합을 억제하고 전하 추출과 수송을 개선할 수 있음을 보여준 것으로, 향후 고효율 삼원계 유기태양전지의 소자 성능을 향상시키기 위한 효과적인 전략으로 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
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