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신소재경제·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(6)-제1장 태양전지 소재기술-유기 태양전지 소재기술(3)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

소재 기업 육성 핵심소재 국산화 必



■ 국내 유기 태양전지용 유연 투명 전극 소재의 연구개발 동향

국내 투명전극 소재는 기존 ITO 제조업체가 디스플레이 관련 분야에서 선점을 하고 있으며, 이를 대체하기 위한 은나노선(AgNW) 제조업체들이 후발주자로 추격을 하고 있는 상황이다.

가. 나노픽시스(NANOPYXIS)

PET에 roll-to-roll 코팅이 가능한 나노와이어 잉크 소재 개발, 투과율 91%, 면저항 15ohm까지 구현, 헤이즈 0.5 이하, 나노와이어 직경 35nm의 실버 나노와이어 투명 전극을 개발하였다.

나. 코스모신소재(COSMO AM&T)

코스모신소재는 전자부품연구원, 앤앤비, 한국기계연구원과 공동으로 은나노와이어 필름과 탄소나노튜브 복합 필름을 이용한 투명전극 필름 개발, 투과율 90% 이상, 면저항 50ohm/sq 특성의 시제품을 출시하였다,

다. 전북대학교

전북대에서는 기존 은나노와이어의 거칠기(roughness)를 해결하기 위해 InTiO/Ag NW/InTiO의 샌드위치 구조 투명전극 구조를 제안, 85% 광투과도와 9ohm/sq의 면저항 특성을 보고하였다. 이를 유기 태양전지에 적용할 경우 3.0%의 광변환 효율 특성을 나타낸다.

라. 경희대학교

탄소나노튜브를 브러쉬 페인팅 공정으로 코팅 78.5%의 광투과도와 286ohm/sq의 면저항을 가지는 투명전극을 제작, 이를 이용해 1.63%의 광변환효율을 나타내는 유기 태양전지를 보고하였다.

마. 재료연구소

재료연구소의 경우 기존에 보고된 유연 투명 전극소재의 단점을 극복하고자 초정밀 도금 기술을 이용하여 연속 생산이 가능한 투명 금속 메쉬 전극을 개발 하였다. 투과율 90%이상, 면저항 <10ohm/sq의 유기 태양전지 맞춤형 유연 전극으로, ITO 유연 전극을 이용하여 제작한 유연 유기 태양전지 대비 98%에 해당하는 고효율의 금속 메쉬 기반의 유기 태양전지 제작에 성공하였다.

■ 해외 유기 태양전지용 유연 투명 전극 소재의 연구개발 동향

가. 미국, 캠브리오스(Cambrios)

캠브리오스는 습식 코팅이 가능한 투명 은나노와이어 잉크를 개발, 대만 터치스크린패널(TSP) 업체인 TPK와 합작, 애플사의 아이와치에 적용되는 TSP를 공급하고 있다

나. 대만, National Chiao Tung University

대만의 Chiao Tung 대학에서는 대면적 그래핀의 전도성 불량 문제를 해결하기 위해 그래핀/TCNQ/그래핀 샌드위치 구조의 전극 소재를 이용 유기 태양전지를 제작하여 2.58%의 광변환 효율을 보고하였다.

다. 호주, Queensland University of Technology

호주 QUT에서는 하부 Al 반사전극과 상부 MoO3/Ag/MoO3 투명전극 구조의 유기 태양전지를 제작하였다. 상부전극으로 사용된 MoO3/Ag/MoO3는 85% 광투과도 및 10ohm/sq 이하의 면저항 특성을 나타내었고 이를 이용하여 25cm2의 단위소자를 제작 3.17%의 광변환 효율을 보고하였다.

라. 중국, Soochow University

중국의 Soochow 대학에서는 PEDOT/Ag NW/GO 복합소재를 전극으로 사용 P3HT-Si 하이브리드 태양전지를 제작, 13.3%의 광변환 효율을 보고하였다.

■ 국내 유기 태양전지용 유연 투명 전극 소재 동향

○ 시장규모 및 전망

국내시장만 고려할 경우 시장규모가 작아 투자대비 경제성 확보가 어려운 실정이다. 하지만 최근 신재생에너지와 기후변화 대응 관련한 다양한 정책들이 제안되고 있어 R&D 및 사업화 관련 시장규모 성장 가능성이 높다. 따라서 유기 태양전지 소재 및 공정에 관한 원천기술을 확보하여 이를 활용한 세계시장의 점유가 시급한 시점이다.

전 세계적으로는 2017년 상용화가 가능할 것으로 전망되며 사업초기 국내 기업체에 의해 핵심소재 및 생산 공정이 개발됨으로써 시장규모 확대와 성장률의 증가가 기대되고 있다. 국내 시장규모는 세계시장의 20% 수준의 점유가 예상된다.

○ 기업 현황

국내 유기 태양전지 개발 아직 R&D 수준에 머물러 있지만 코오롱 인더스트리를 통해 모듈 개발 및 제품 적용 테스트가 진행 중이다. 한편 일부 중소 업체를 중심으로 해외 시제품을 수입, 판매하는 경우들이 있다. 향후 코팅 장비 업체인 성안 기계를 중심으로 유기 태양전지 소자, 모듈용 코팅 장비가 주요 수출 품목이 될 수 있을 것으로 기대된다.

그러나 광활성 소재, 전극 소재, 배리어(Barrier) 소재 등 소재 전문 업체들의 참여는 현재까지 없는 실정이며, 원천 R&D 기술 확보와 달리 향후 대량 양산시 역수입 될 수 있는 가능성이 높아, 주력 소재 산업의 참여가 필요하다.


원천기술 확보 통한 세계시장 점유 시급

신재생에너지 시대 대비 기술 확보 필수



■ 해외 유기 태양전지용 유연 투명 전극 소재 동향

○ 시장규모 및 전망

유기 태양전지는 기존 1세대 태양전지에 비해 저가의 생산 단가를 통한 경제성, 플렉서블 모듈을 활용한 다양한 응용성, 기존의 풍부한 소재 합성을 통한 재료 수급의 용이성 등의 장점으로 인해 유기 태양전지 세계 시장은 지속적인 성장이 가능할 것으로 예상된다. 한편 이와 같은 시장 진입 및 상용화를 위해서는 모듈의 효율 개선 및 안정성(수명) 향상이 선행되어야 한다.

현재 시판되는 유기 태양전지 모듈은 극히 일부 응용 예시에 불과하며 향후 대량 발전용 보다는 장비 일체형 태양광 발전 시스템(DIPV, Device-integrated Photovoltaics), 건물일체형 태양광 발전 시스템(BIPV, Building-integrated Photovoltaics) 분야에 우선 적용 될 것으로 예상된다.

○ 기업 현황

국내에 비해 국외의 경우 유럽, 일본을 중심으로 유기 태양전지용 소재 및 소자, 모듈 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 실증화 및 상용화가 이루어지고 있다.

특히 독일내의 재료, 건축, 디바이스 회사들이 공동으로 유기 태양전지 모듈의 BIPV용 사업화를 진행하고 있다. SOLARTE(BELECTRIC)은 Merck사의 신규 광활성 물질을 적용하여 반투명 유기 태양전지 모듈 50W/m2을 구현하였으며, 2015년에는 Merck, Heaeus와 함께 아프리카에 BIPV용 실증 작업을 진행하였다.

독일의 Heliateck은 진공 기술을 이용하여 유기 태양전지 모듈을 개발하는 업체로 2015년에 싱가포르에 30m2 규모의 유기 태양전지 BIPV를 설치, 자국 내에는 에어돔(air dome)에 유기 태양전지 모듈을 설치하여 실증화에 나섰다.

핀란드의 VTT Technical Research Centre of Finland는 프린팅 방법을 이용하여 다양한 형상의 유기 태양전지 모듈을 개발하는 것으로 유명하다. 현재 그라비아 코팅 방식을 이용한 롤투롤 공정 개발에 집중하고 있다.

■ 미래의 연구방향

다양한 국내·외 연구기관들과 기업들이 유기 태양전지 상용화 가능성을 모색 중이다. 더불어 다양한 시제품들이 발표되고 있으나 본격적인 시장진입은 매년 지연되고 있다.

현재 유기 태양전지 성능을 기준으로 향후 상용화를 위해서는 △투명 전극 소재 개발 △제조 공정 기술 △효율 개선 △모듈 디자인 △안정성 개선이 필요하다.

■ 정책 제언

2000년대 이전 우주, 극지, 오지 등의 주로 전기를 연결하기 어려운 지역에 태양전지를 주로 활용했다면, 최근 발전용으로 많이 설치되고 있다. 지구온난화 등의 글로벌 문제의 해결을 위한 시민의식의 확대와 이동용 전자기기의 사용 확대 등으로 이동용 충전 장치의 필요성으로 인하여 더욱 생활밀착형 태양전지의 사용량이 증폭할 것으로 기대된다. 생활밀착형 태양전지로 사용되기 위해서는 기존의 발전형과 다른 사양이 요구될 것으로 판단된다. 이동용 충전장치의 전원용으로 사용되기 위해서는 무게가 가벼워야 하며, 이동 중 떨어뜨림 등의 충격에 강해야 하고, 이동 시 부피를 최소화하기 위하여 말거나 접을 수 있는 구조가 되어야 하며, 개개인의 취향에 맞출 수 있도록 다양한 모양 및 색상 등을 갖추어야 한다. 또한, BIPV용으로 적용되기 위해서는 성능뿐만 아니라 디자인적인 요소도 갖추어야 하며, 대표적으로 투명성을 확보할 수 있어야 좀 더 활발한 응용 분야가 생겨날 수 있다.

미래 사회의 에너지 자립형 유비쿼터스(ubiquitous) 생활을 만족시키기 위해서는 정부의 집중적 투자 아래에서 원천 기술 및 상용화 기술을 동시에 선점할 필요가 있다. 특히 핵심 소재의 국산화를 통한 외국 화학 기업들(머크, 헬리아텍)의 독점 공급 체재 탈피, 경쟁력 확보할 수 있는 소재 기업 육성이 정부 차원에서 필요하다.

마지막으로 유기 태양전지 소재 및 모듈화 기술은 파리기후변화 협약 이후 전 세계적인 신기후 체제 및 신재생 청정에너지 개발, 이산화탄소 저감 요구에 부응할 수 있는 기술이며, 이동형 전자기기의 전원장치, BIPV, 에너지 자립형 건물 내·외관 감성 소자 등 고부가가치 창출뿐 아니라 공공설비 및 적정기술 등의 사회 기반 시설 인프라 구축에 기여할 수 있는 기술이다.
<그림 3-1-2-22>AgNW와 InTiO를 이용한 투명전극 형성 공정
<표 3-1-2-4>기존 유연 투명 전도성 전극 예
<그림 3-1-2-24>그래핀/TCNQ/그래핀 샌드위치 구조
<표 3-1-2-5>유연 유기 태양전지 기술 - 국내 선도연구기관
<표 3-1-2-6>유연 유기 태양전지 기술 - 해외 선도연구기관
<그림 3-1-2-24>유기 기반 태양전지 시장 규모(단위 : 억원)
<그림 3-1-2-25>유기 태양전지 생산량 및 성장률 전망
<그림 3-1-2-26>SOLARTE의 BIPV용 유기 태양전지
<그림 3-1-2-27>Heliateck의 BIPV용 유기 태양전지
<그림 3-1-2-28>VTT의 인쇄기반 유기 태양전지
<표 3-1-2-9>유기 태양전지 기술 - 국내 선도기업
<표 3-1-2-10>유기 태양전지 기술 - 해외 선도기업
<그림 3-1-2-29>유기 태양전지 5대 핵심 기술

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