Update2025.05.18 (일)
그린에너지하베스팅 기능의 지능형 섬유
■기술의 정의
지속가능한 친환경 에너지 확보가 전세계의 이슈가 됨에 따라 최근 우리 주변에서는 그린에너지인 빛·열·진동 등의 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지원에서 전기에너지를 수확하는 ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)'이 각광받고 있다.
그린에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유는 인체 주위의 환경과 인체 활동의 상호작용으로부터 발생하는 그린에너지를 획득·저장하는 착용형 에너지 수확 기능의 지능형 섬유를 말한다.
차세대 착용형 전자장치와 이동통신 시스템은 충전식 배터리 전원에 의존하기 보다는 주위 환경이나 인간의 움직임으로부터 에너지를 수확할 것으로 전망된다.
기존 무기물 기반의 에너지 수확 기술은 소자의 취성 및 단단함 때문에 신체활동에 제약을 주며 물리적 충격에 약한 편이다. 한편 섬유는 가늘고 길며 유연한 특성을 가지는 1차원의 재료로서 부드러우며 성형이 자유롭다.
또한, 표면적이 넓어 대 면적 제작이 가능하며 응용 장소의 제약을 받지 않는다.
1차원 구조체인 섬유 또는 실은 제직·편직·전기방사 등의 공정에 의해 2차원 구조체인 패브릭(직물, 편물, 부직포)으로 제조되고 최종적으로 재단 및 봉제를 통해 3차원 구조체인 의복을 구성한다. 따라서 의복은 물론 침대·벽·실내장식·바닥재 등 인체가 종일 접촉하는 표면의 70% 이상이 섬유로 구성되어 있으므로 각종 에너지 수확/저장, 센서 및 휴대용 전자장치를 섬유 구조로 개발하거나 섬유제품 안에 통합하려는 시도가 지속적으로 전개되고 있다.
■기술의 분류
일반적으로 인체 활동 및 인체 주변으로부터의 에너지 하베스팅 기술은 크게 다음의 4종류로 구분할 수 있다.
1)외부활동을 할 때 태양광 흡수로 전기에너지를 얻는 태양광발전
2)실내에 있을 때 형광등 및 전자기기로부터 발생하는 전자파를 흡수하여 전기에너지를 얻는 전자파발전
3)신체운동이나 주변의 진동/충격으로부터 전기에너지를 얻는 압전발전
4)신체 내외부의 온도차이로부터 전기에너지를 얻는 열전발전
한편 태양광발전과 전자파발전 기술은 근본적으로 동일한 원리이므로 하나의 기술로 볼 수 있다. 따라서 본 고에서는 태양광발전·압전발전·열전발전 분야에서 섬유형성 소재에 따라 분류한다.
■기술적 난제
1) 태양광발전 하베스팅 지능형 섬유
최근 몇 년 동안 섬유구조의 태양전지 분야에서 많은 기술적 진전이 있었지만, 여전히 많은 도전과제들이 남아 있다. 섬유구조의 염료 태양전지(DSC)와 고분자 태양전지(PSC)의 에너지 전환효율은 기존 평면형태의 태양전지에 비해 여전히 훨씬 낮다. 특히, 현재까지 보고된 섬유구조 태양전지의 길이는 수 또는 수십 센티미터인데 실제 응용을 위해서는 더욱 길어야 한다. 하지만 섬유 전극의 길이가 증가할수록 전기저항은 선형적으로 증가하기 때문에 태양전지의 효율은 비례하여 감소할 것이다. 따라서 에너지 전환효율과 섬유구조 태양전지의 길이 사이에서 적절한 균형점을 찾는 것이 중요하다. 이를 위해 태양광 전극으로 높은 전기 전도를 가지는, 섬유구조의 태양전지를 개발하는 것이 필요하다.
제시된 두 가지 태양전지는 몇 가지 문제점이 있다. 섬유구조의 염료 태양전지에서는 현재 액체전해질이 사용된다. 평면구조의 염료 태양전지 경우 액체 전해질 밀봉이 가능하지만 큰 표면적을 갖는 섬유구조 태양전지에서는 완전한 밀봉은 어렵다. 따라서 고체전해질을 이용한 섬유구조 염료 태양전지에 대한 연구가 진행되어야 하겠다.
고분자 태양전지는 항상 고체물질이 사용되므로 섬유구조의 태양전지로 보다 적합하다고 볼 수 있다. 하지만 두 섬유전극 사이의 계면제어가 어려워서 단지 일부 연구만 보고되었다. 예를 들어 core-sheath형 섬유구조의 고분자 태양전지의 경우 얇은 광활성층의 요구조건으로 종종 회로 단락이 발생하고, 두 섬유전극을 꼬아 제조한 고분자 태양전지의 경우 두 개의 섬유전극사이의 낮은 접촉 면적에 의해 빠른 전하 분리 및 이동이 불리하다. 또한 현재의 제조 기술로는 대규모의 섬유기재에 균일하고 얇은 광활성층과 전극층을 코팅하는 것이 쉽지 않다. 두 섬유전극을 꼬아 만든 태양전지의 경우 실제 제조공정에서 두 섬유전극을 잘 제어되고 반복적인 꼬임 구조를 발현하는 것이 어렵다. 또한 사용하는 동안 두 섬유전극이 밀접하게 안정적으로 꼬임 구조를 유지하는 것 또한 어렵다. 섬유구조 태양전지의 유망한 장점은 의복이나 다른 유연한 구조로 짤 수 있다는 것이지만 많은 섬유구조 태양전지로부터 전기에너지를 수집하기 위해서는 전극들을 효과적으로 연결하는 방법의 개발이 필요하다.
2) 압전발전 하베스팅 지능형 섬유
전기방사를 이용한 유기 및 무기 나노섬유를 이용한 압전발전기는 앞으로 매우 유용한 에너지 하베스터로 전망이 밝다. 한편 압전 소재 PZT 무기나노섬유를 압전발전기로 사용하기 위해서는 2가지 제약이 있다. 첫째로 PZT의 압전 특성을 향상시키기 위해서는 일반적으로 높은 온도(>600℃)에서의 열처리가 요구된다. 둘째, 전기방사 공정은 PZT를 용매와 혼합하여야 한다. 이것은 나노섬유 내에서의 PZT 밀도를 낮추므로 결과적으로 에너지 전환효율이 내려간다. 한편 PVDF 고분자를 이용한 유기 나노섬유의 경우 무기 나노입자와 비교할 때 유연성, 경량성, 생체적합성, 가늘고 긴 섬유상 구조로의 성형성, 다양한 두께와 형태로의 가공성 등의 특징으로 인해 착용 가능형 또는 인체에 삽입가능한 발전소자로 활용가능성이 높지만 우수한 압전발전 효율을 위해선 PVDF 나노섬유 내에 잘 배향된 β-결정구조를 형성하는 기술이 요구된다.
3) 열전발전 하베스팅 지능형 섬유
전도성 고분자·무기반도체소재·탄소소재·유기-무기복합소재를 전기방사법·코팅법 등을 이용하여 열전발전 기능의 지능형 섬유를 제조하고 그 특성을 평가하기 위한 연구가 진행되고 있다. 우수한 열전발전효율을 위해서는 높은 전기 전도성과 낮은 열전도성을 갖는 열전발전 소재 및 이들의 섬유형성 기술이 필요하다. 또한 착용 가능한 열전발전 소자를 위해서는 유연하고 반복적인 변형에도 내구성을 갖는 소재 개발도 필요하다.
■ 기술적 실현시기
에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유에서 소재 및 제조에 대한 기술적 부분은 개발이 상당히 진행되어 있는 있지만 앞서 언급한 기술적 난제의 해결에는 앞으로 3년 이상의 시간이 소요될 것으로 예상된다.
■ 산업적 난제 및 실현시기
에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유기술에 대한 실험실적 연구는 활발히 진행되고 있는 실정이나 산업적 완제품의 개발은 아직 초기 단계이다. 태양전지·압전발전소자·열전발전소자의 섬유구조로 제조하는 기술을 개발하기 위해 단기적으로는 각 발전 소자에 대해서 섬유구조로 구현 가능한 재료 합성 및 설계 기술개발, 섬유 기반의 기재 개발, 단위소자 구현 기술개발 등이 진행되어야 한다. 중장기적으로는 에너지 하베스팅 모듈 구현 기술개발 등이 필요하며, 동시에 에너지 저장 및 전송시스템 기술개발이 병행되어야 한다. 또한 개발된 기술 및 장치에 대한 표준화 및 인증에도 많은 시간이 필요하다. 따라서 에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유는 2020년 이후 실현될 것으로 예상한다.
■ 응용 분야
태양광·운동·열 등의 그린에너지 하베스팅 지능형 섬유기술의 응용 분야는 휴대기기·바이오·환경·국방·미세로봇(micro robot), 유비쿼터스 센서 네트워크(ubiquitous sensor networks, USN) 등 다양하다.
1) 휴대용 전자기기 분야
휴대폰·웨어러블 컴퓨터·MP3·블루투스 장치 등의 각종 휴대용 전자장치 등의 에너지원으로 사용 가능하다.
2) 바이오 메디컬 분야
충전용 배터리의 이용 없이 지속적으로 신체 내외부의 건강상태를 확인하는 바이오 메디컬 센서 및 진단장비와 더불어 생명을 유지시키기 위한 인체 삽입형 의료장치를 위한 에너지 발전기로 사용가능하다.
3) 국방 분야
전장에서 병사에게 요구되는 에너지를 원활하게 생산하고, 필요에 따라 에너지를 낭비하지 않고 저장하는 통합개념의 네트워크 분야에 활용할 수 있다.
4) 마이크로 로봇 분야
인체 주변 및 인체 활동에 의한 에너지원을 획득할 수 있는 그린에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유기술은 독립적인 에너지원으로 작동하는 마이크로 로봇에도 적용할 수 있다.
5) 환경 분야
인체 주변의 수질·대기·토양 등의 환경오염 물질을 검출하고 모니터링 하기 위한 센서 및 휴대용 장치에 대한 지속적인 에너지 공급원으로 활용 가능하다.
6) 유비쿼터스 센서 네트워크 분야
인체 주변 상황 및 안전에 대한 진단을 위한 물리적 정보를 각종 센서를 통해 탐지하여 이를 실시간으로 네트워크에 연결하고 정보를 관리하는 능동형 시스템기술인 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Networks, USN)은 물리적 세계와 디지털 세계를 연결할 수 있는 특징 때문에 많은 분야에서 응용할 수 있다. 특히 인간 생활의 편리와 안전을 위해 지속적인 감시 역할을 수행할 수 있다.
인체 주변 및 인체 활동에 의한 태양광·기계적 힘·열에너지 등의 다양한 에너지 변환기기로부터 생성된 에너지를 이용하여 USN 시스템을 구동하는데 필요한 전력을 적절히 분해하고 저장·조절하는 에너지 관리 기술을 통해 사용하고 남은 에너지를 저장하고, USN 시스템에 응용하기 위한 에너지를 공급하게 된다.
■ 파급 효과
1) 기술적 효과
인체 주변과 인체 활동을 이용한 그린에너지 하베스팅 기능의 지능형 섬유기술은 유비쿼터스 및 무선 모바일시대의 전자기기 사용 환경에서 잦은 배터리 충전에 따른 번거로움을 줄이고, 더 나아가 필요한 때에 원하는 곳에서 전기에너지를 공급 가능케 하는 혁신적 기술이다. 앞으로 실외나 이동 중에 휴대용 디지털 기기들의 전원 공급을 연장하여 진정한 유비쿼터스를 실현할 수 있을 것으로 예측된다.
많은 가정에서 현재 110~220V 전원에 의한 소형 디지털 기기의 충전 과정에서 발생하는 전력 손실을 줄임으로써 절약되는 에너지의 양은 상당할 것으로 기대된다. 또한 송배전 시설이 갖추어져 있지 않은 개발도상국에서의 소형 전자장치 및 디지털 기기의 활용을 위한 기반을 마련함으로써 해당 국가의 시급한 문제 해결에 도움을 줄 뿐 아니라, IT 관련 제품의 차별적 경쟁력 강화와 수출 증대도 기대할 수 있다.
재료공학, 섬유공학, 컴퓨터공학, 전자공학, 전기공학, 바이오생물공학, 전파공학 등의 다학제간 학문의 융복합화를 촉진되고 타 산업분야의 새로운 이용법과 시공법 기술개발이 동시에 이루어질 것으로 예상된다.
2) 사회경제적 효과
전 세계적으로 그린에너지 하베스팅용 지능형 섬유기술을 구현하여 이를 상용화한 바는 없으므로 원천특허 확보 및 기술개발이 이루어진다면 이에 대한 수요는 무궁무진할 것으로 예상된다. 산업 전반에 걸쳐 에너지 하베스팅 기술의 활용 방안을 제시하고, 이에 맞는 제품 개발을 이루어낼 경우 빠른 시장 선점이 가능하다.
태양전지·압전발전 소자·열전발전 소자의 섬유화로 IT융합산업의 신기술 확보를 통한 국가 차원의 신성장 동력 발굴 및 플렉시블 디바이스 산업 및 스마트 섬유산업의 부흥으로 선진화된 고수익성의 에너지 하베스팅 제품 수출 증대가 예상된다.
지능형 섬유를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 휴대용 전자 디바이스가 착용 가능하도록 하는 기본적인 플랫폼 기술이 될 것이며, 섬유산업뿐만 아니라 전자산업 전반에 걸쳐 확장할 수 있는 잠재력을 가진 분야라 할 수 있다.
인체 활동 기반 에너지 하베스팅 기술은 고강도의 야외 인체 활동에서 특히 유용성이 높아 최근 확산 되고 있는 IT 스포츠 용품 기술에 매우 큰 원천적 파급 효과를 가질 것으로 생각되며 적극적인 응용이 기대된다. 특히 두터운 사용자층을 확보하고 있는 스포츠용품 시장과 전자산업이 결합된 거대한 신시장의 창출이 가능하며 경쟁력 또한 확보 가능하다. 또한 신체 활동의 증가로 인해 수확되는 에너지에 대한 경험은 건강을 위한 생활방식 개선에 장려 효과도 클 것으로 예측된다.
3) 시장창출 효과
현재 에너지변환 관련된 융합기술 분야는 아직 연구 초기단계로 목표 제품시장이 2010년부터 무선센서 네트워크 기술개발과 동시에 6억달러 정도의 시장이 형성되기 시작 시작되어 2020년도에는 44억달러 시장을 예상하고 있다
iRap의 보고에 따르면, 2009년도에 에너지 하베스팅 관련 790만달러의 시장이 형성되기 시작하여 2014년도에는 12.5억달러의 시장이 예상되며 2009~2014년까지의 연평균성장률은 73%에 달할 것으로 예측하고 있다.
■ 해외 동향
◯국가별 연구개발 현황
1) 미국
미국은 군사·의료·특수 용도를 중심으로 연구를 진행하고 있다. 정부 주도의 방위산업 관련 연구를 통해서 얻어진 결과들을 기업과 공유하며 협력하고 있다. 또한 미국은 산업용 소재에 중점을 두고 있기 때문에 전자섬유 개발도 의복뿐만 아니라 헬스 케어, 스포츠 및 아웃도어, 방위산업 분야 등 다양한 적용 분야를 찾고 있다.
MIT에서는 빛·소리·열 등을 동시에 감지하고 알려주는 다기능 전자섬유 개발에 관심을 갖고 있다. BodyMedia사는 웨어러블 컴퓨터 기반 의료 연구 등 다양한 용도의 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 개발하고 있다. 의복이 갖는 고유의 특성을 살리면서 실제 웨어러블 컴퓨터 플랫폼으로서 기능할 수 있는 다양한 센서 및 데이터 처리 프로세서, 데이터 버스채널 등을 사용자의 신체적 특징을 고려하여 의복에 장착시킬 수 있는 스마트 섬유 직조 기술을 개발하고 있다.
2) EU
유럽은 유럽연합(EU)에서 공동출자하여 SFIT(Smart Fabrics Interactive Textile)Cluster를 만들고 그 안에 myHeart, BIOTEX, ProeTEX, STELLA, OFSETH, CONTEXT, MERMOTH, SYSTEX 등의 단위 프로젝트 중심으로 스마트 섬유 기술개발을 진행하였다.
BIOTEX(Bio-Sensing Textiles, 2006~2008) 프로젝트를 통해서는 생체신호 모니터링 직물센서를 이용한 의복을 개발하였다. myHeart 프로젝트(2003~2007)를 통해서 운동선수나 환자들의 심박을 모니터링 할 수 있는 생체신호 모니터링 의복을 개발한 바 있다.
최근까지는 STELLA(Stretchable Electronics for Large Area, 2006~2010) 프로젝트를 통해서 신축성 있는 전자디바이스 개발을 위한 플렉서블 기판과 전도성 회로를 개발하였다.
ProeTEX(Protection e-Textiles, 2006~2010) 프로젝트를 통해서는 위험 환경에 노출되어 있는 작업자를 위한 안전 보호복을 개발하였다.
필립스는 음성인식 이동전화와 MP3 플레이어를 PAN(Personal AreaNetwork)으로 연결한 의류를 개발 중이며, 인피니온은 전도성 섬유를 이용한 MP3 플레이어, 이어폰이 내장된 세탁이 가능한 의류, RFID 모듈을 위한 직물 안테나, 사람의 동선을 감지하는 스마트 카펫 등을 개발하고 있다.
스위스 취리히 공대(ETHZ)의 웨어러블 컴퓨팅 연구실에서는 90년대부터 전도성 섬유에 대한 연구를 진행하고 있다. 전도성 섬유를 이용한 직물형 안테나·트랜지스터·압력센서 등을 개발하고, 건강보조 응용으로 사용자의 자세를 감지하여 이를 교정해주는 Motion aware clothing, Back manager를 개하였다. 또한 전도성 섬유와 칩의 연결을 더욱 간편하고 저렴하게 구현하기 위한 연구를 진행하고 있다.
독일의 스포츠 웨어 전문회사인 아디다스사는 2008년 DuPont과 Invista로부터 만들어진 Textronics사를 인수하여 Adidas Wearable Sports Electronics사를 설립하였다. 이 회사는 착용형 생체 모니터링 시스템에 중점을 두고 Wearable Sports Electronics기술을 개발하고 있다. 최근 아디다스 사의 뉴메트릭스라는 제품은 심장박동을 점검하는 개념의 제품으로 이러한 기술의 시장은 군사용에서부터 노인 보호용 그리고 스포츠까지 매우 다양할 것으로 전망된다. 아디다스사는 Wearable Electronics시장을 크게 Sense & Monitor, Warm, Illuminate, Communicate 분야로 보고 있으며 우선 스포츠 분야에 적용 가능한 Wearable Technology에 집중하고 텍스타일 시스템 기술 진보에 따라 에너지 하베스팅 분야로도 도전할 계획이다.
■ 기술별 연구개발 현황
1) 태양광발전 기능의 지능형 섬유기술
일반적으로 광활성 소재에 따라 태양전지는 실리콘계(단결정, 다결정, 비경정 실리콘), 반도체 화합물계(gallium arsenide와 copper indium gallium selende)와 유기계(광민감성 염료계와 광활성 고분자계) 태양전지로 구분할 수 있다. 실리콘계 태양전지의 대규모 응용은 고비용과 생산과정 동안의 오염에 의해 제한되고, 반도체 화합물계 태양전지는 반도체 금속의 희소성과 고순도 반도체 화합물 합성의 어려움에 의해서 제한된다.
지금까지 보고된 염료 태양전지(DSC) 및 고분자 태양전지(PSC)는 각각 12.3%와 9.2%의 최대 효율이 보고되었다. 한편 섬유구조의 염료 태양전지 및 고분자 태양전지는 각각 7.02%와 3.87%의 최대 효율이 보고되었다. 유연한 섬유구조의 염료 태양전지 또는 고분자 태양전지는 한 가닥의 섬유에 박막 전극재료의 적층에 의한 core-sheath 구조로 제조하거나 두 가닥의 섬유전극의 꼬아 제조되었다.
◯ 섬유구조의 염료 태양전지
① Core-sheath형 섬유구조의 염료 태양전지
전형적인 평면구조의 염료 태양전지와 유사하게 섬유구조의 염료 태양전지는 전도성 섬유표면 위에 광활성 소재와 전극을 코팅하여 제조함으로써 다층의 core-sheath 구조를 보인다.
미국 Univ. Michigan 연구팀은 폴리이미드로 코팅된 실리카 섬유표면에 동심원상으로 ITO 전극, 20nm Mg, 20nm Mg:Au, 65nm Au, 25nm CuPc, 40nm C60, 7nm tris(8-hydroxyquinoline) aluminum, 6.5nm Mg:Ag와 5nm Ag를 순차적으로 코팅한 섬유구조의 유기 태양전지를 제조하였다. 제조된 섬유구조의 태양광발전 소자는 평면 태양광발전 소자에 비해 태양광 입사각도에 상관없이 우수한 에너지전환 효율을 보였다.
중국 북경대학 연구팀은 0.25mm 직경의 Ti 섬유에 염료가 그래프팅된 TiO2 튜브를 수직으로 배열시키고 여기에 투명한 탄소나노튜브 필름으로 감싸 매우 유연한 섬유구조의 염료 태양전지를 제조하였다. 이 섬유는 표준광(AM 1.5, 100 mW/cm2)에 대해서 1.6%의 광전환 효율을 보였으며, Ag 또는 Cu와 같은 전형적인 금속섬유를 도입했을 경우 2.6%이상으로 향상되었다. 또한 성능저하 없이 90°의 높은 각도로 굽힐 수 있다.
② 두 가닥의 섬유전극을 꼬아 제조한 염료 태양전지
섬유구조의 염료 태양전지는 대부분 각각 작용전극과 상대전극으로써 사용되는 두 개의 전도성 섬유를 꼬아서 제조한다. 작용전극용 섬유는 반도체성 금속산화물과 염료와 같은 광활성 재료로 코팅하여 제조한다. 이 경우 두 개의 전극은 쉽게 외부회로에 연결할 수 있으며, 적어도 하나의 전극은 유연해야 한다. 한편 두 섬유는 효과적인 꼬임으로 안정된 성능을 확신하기 어려울 수 있다. 따라서 주된 연구는 두 전극으로 사용되는 다양한 섬유소재(금속섬유, 광섬유, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등)에 대한 것이다.
중국 북경대학 연구팀은 염료 감응형 기공구조의 TiO2 층으로 코팅된 스테인리스 강철 섬유(작용전극)과 고분자 보호층으로 코팅된 전도성 Pt 섬유(상대전극)를 꼬아 전해액에 2~3초 동안 침지시킴으로써 직경 ~200㎛이며 유연한 섬유구조의 염료 태양전지를 제조하였다. 광원의 입사각도에 상관없이 염료 태양전지 효율은 일정하였으며, 3.5㎛ 두께의 TiO2 층으로 제조된 5cm 염료 태양전지의 에너지전환 효율은 0.27%를 보였다.
실험조건 범위 안에서 염료 태양전지의 단락전류는 염료 태양전지 길이에 선형적으로 비례하였고, 염료 태양전지 성능은 두 섬유상 전극의 꼬임 간 길이, 고분자 보호층, TiO2 층의 최적화를 통해 개선될 수 있음을 보고하였다. 한편 기공구조의 TiO2 층으로 코팅된 스테인리스 강철 섬유를 TiO2 나노입자로 코팅된 Ti 섬유를 작용전극으로 사용했을 경우 에너지변화 효율은 5.41%로 크게 증가하였다. 또한 모든 방향으로 확산되는 빛을 효과적으로 포집하기 위해 포물선 모양의 반사판을 사용했을 경우 에너지전환 효율은 7.02%까지 증가하였다.
미국 Georgia Tech 연구팀과 중국 Xiamen Univ. 연구팀은 금속섬유를 대신하여 탄소섬유 표면에 TiO2 나노막대를 성장시킨 섬유를 작용전극으로 사용하고, 백금으로 코팅된 유리섬유를 상대전극으로 하여 염료 태양전지를 제작하였다. 하지만 이 섬유구조의 염료 태양전지의 에너지전환 효율은 1.28%로 낮았으며, 유연하지 않아 제작이 불가능하다.
높은 전기촉매 활성으로 인해 상대전극으로 일반적으로 사용되는 Pt 와이어는 고가이고 낮은 유연성을 가지므로 섬유상 태양전지의 성능 향상 및 실제적 응용에 제한점이 있다. 한편 탄소섬유 또는 탄소나노튜브와 같이 탄소를 기본으로 하는 섬유는 높은 유연성, 전기 전도도, 저렴한 가격으로 인해 최근 Pt 와이어의 새로운 대체 전극으로 광범위하게 연구되고 있다.
중국 북경대학의 연구팀은 다공성 TiO2로 코팅한 Ti 와이어 작용전극에 상대전극으로 상용화된 탄소섬유를 꼬아 투명하고 전도성 산화물이 없으며 유연하고 성능이 우수한 염료 태양전지를 보고하였다. 이러한 염료 태양전지의 에너지전환 효율은 2.7%이었다. 탄소섬유를 Pt로 처리하고, 스테인리스 강철 와이어와 결합시켰을 경우 에너지 효율은 5.8%로 증가하였다.
중국 Fudan Univ.의 연구팀은 Ti 섬유표면에 TiO2 나노튜브를 수직으로 배향시킨 것을 전극으로 하고, 높은 구조적 안정성, 전기촉매 활성, 기계적 강성, 1차원적 전기 전도성을 갖는 CNT 섬유를 상대전극으로 하여 두 전극을 꼬아 염료 태양전지를 위한 섬유구조를 형성하였다. 염료 분자를 TiO2 나노튜브에 화학 증착시켜 광흡수에 의해 전자를 생성시키도록 하였다. 생성된 전자들은 TiO2 나노튜브의 전도띠로 주입되고 Ti 섬유를 따라 전달된다. 염료 양이온은 I-의 I3-로의 산화에 의해 바닥상태로 환원되고, I3-이온은 CNT섬유로부터 전자를 수용함으로써 I-로 산화된다. CNT섬유와 TiO2 나노튜브의 높은 표면적과 배향된 구조에 의해 전하는 빠르게 분리되고 전달되어 결과적으로 염료 태양전지 섬유는 약 4.6%의 높은 에너지변화 효율을 보인다.
중국 북경대학 연구팀은 높은 촉매 활성, 전도성과 안정성을 갖는 Pt 나노입자 콜로이드를 흡착시킨 CNT 필름을 방적하여 Pt-CNT 섬유(상대전극)를 제조하고 이를 TiO2-Ti 섬유(작용전극)와 꼬아 최종적으로 유연한 섬유구조의 염료 태양전지를 제조하였다. 이 섬유구조 염료 태양전지는 표준광(AM 1.5, 100 mW/cm2)에서 대해서 4.85%의 에너지전환 효율을 보였다. 또한 180°의 500회 반복적인 굴곡 실험에서도 1.5~1.7%의 에너지전환 효율을 유지하였다.
이 연구팀은 면섬유에 전도성 고분자인 PEDOT:PSS로 침지-코팅하여 상대전극으로 사용하여 섬유구조의 염료 태양전지를 보고하였다. 전도성 고분자로 코팅된 면섬유의 높은 전도도와 전기촉매 활성으로 인해 제조된 염료 태양전지는 4.8%의 높은 에너지전환 효율을 보였다.
연구팀은 또한 작용전극과 상대전극을 모두 탄소섬유를 기본으로 한 섬유구조의 염료 태양전지를 처음으로 보고하였다. 작용전극으로는 다공성 TiO2 필름을 표면에 코팅한 탄소섬유를 사용하였다. 염료 태양전지의 에너지전환 효율은 1.9%이었다. 이러한 탄소섬유를 기본으로 한 염료 태양전지는 고가의 금속전극을 사용하지 않고, 생체 친화적이기 때문에 대량생산에 적합할 것으로 판단된다.
유사하게 중국 Fudan Univ. 연구팀은 금속 전극을 사용하지 않고 작용 전극과 상대전극을 모두 탄소나노튜브(CNT) 섬유로만 제작하여 부식 문제가 없고 강하며 매우 유연한 섬유구조의 염료 태양전지를 보고하였다. 이 염료 태양전지는 빛의 입사각도와 태양전지 길이에 상관없이 2.94%의 일정한 에너지전환 효율을 보였으며 제직기술을 이용하여 텍스타일로 제직이 가능하였다.
Fudan Univ. 연구팀은 또한 N719를 함침 시킨 CNT섬유(작용전극)와 PVDF로 코팅한 CNT복합섬유(상대전극)를 사용하여 유연하고 텍스타일로 제직 가능한 섬유구조의 염료 태양전지를 제조하였다. 이 염료 태양전지는 에너지전환 효율은 2.32%이다. 한편 작용전극 표면의 수직방향으로 배향된 TiO2 나노튜브를 도입했을 경우 에너지전환 효율은 3.90%까지 증가하였다.
◯ 섬유구조의 고분자 태양전지(PSC)
한편 섬유구조의 고분자 태양전지는 섬유구조의 염료 태양전지와는 달리 전해질을 사용하지 않기 때문에 보다 안전하고 쉽게 제조할 수 있고 경제적으로 대량생산이 가능하다. 고분자 태양전지 역시 제조방법에 따라 core-sheath형 섬유구조, 두 가닥의 섬유전극을 꼰 섬유구조, 그리고 전기방사에 의한 나노섬유구조가 가능하다.
① Core-sheath형 섬유구조의 고분자 태양전지
미국 Univ. Houston 연구팀은 400㎛ 직경의 실리카 광섬유 표면에 ITO 층을 도입하고 여기에 P3HT 또는 P3HT/PCBM을 침지법으로 코팅하고, 최종적으로 Al층을 열 증착법으로 코팅하였다. 평면구조의 동일한 고분자 태양전지와 비교할 때, 광반사 및 투과손실을 최소화할 수 있었으며, 에너지전환 효율은 약 1.1%이었다.
터키 Dokuv Eylul Univ. 연구팀은 유연한 폴리프로필렌(PP) 섬유를 고분자 태양전지의 섬유기재로 사용하여 PEDOT:PSS 전극층을 침지법으로 코팅하고, 여기에 다시 침지법으로 P3HT:PCBM 또는 MDMO-PPV:PCBM 혼합물을 광활성 층으로 코팅한 다음 최종적으로 투명한 LiF/AL 금속 전극층을 도입하여 섬유구조의 고분자 태양전지를 제조하였다. 전도성 고분자 혼합물인 P3HT:PCBM와 MDMO-PPV:PCBM를 광활성층으로 도입한 고분자 태양전지의 에너지전환 효율은 각각 0.010% 0.021%이었다.
한편 최근에 SWCNT 필름을 상대전극으로 사용하여 보다 높은 효율의 고분자 태양전지가 보고되었다. 중국 북경대 연구팀은 스테인리스 스틸섬유위에 ZnO 층을 코팅한 후 P3HT:PCBM 층과 PEDOT:PSS 층을 순차적으로 도입한 후에 투명한 SWCNT 필름 또는 SWCNT 실을 상대전극으로 도입하여 섬유구조의 고분자 태양전지를 제조하였다. 이렇게 제조된 섬유구조의 고분자 태양전지의 에너지전환 효율은 2.26~2.31%으로 동일한 조건에서 제조된 평면형태의 고분자 태양전지의 에너지전환 효율 2.48%와 유사하였다. 또한 큰 각도의 굽힘이나 장시간 대기에 노출에서 높은 에너지전환 효율을 유지하였다.
② 두 가닥의 섬유전극을 꼬아 제조한 고분자 태양전지
두 개의 섬유전극을 꼬아 제조한 섬유구조의 고분자 태양전지도 많은 연구가 진행되었다. 미국 Konarka Technologies사 연구팀은 가는 금속 와이어에 전도성고분자 P3HT:PCBM로 구성된 광활성층을 코팅한 작용전극을 은 페이스트로 코팅한 금속섬유(상대전극)로 꼰 후 두 금속섬유 전극을 투명한 고분자(자외선경화형 에폭시)로 피복하여 제조하였다. 고분자 태양전지의 에너지전환 효율은 2.79~3.27%이었다.
중국 Fudan Univ. 교수팀은 Ti 섬유표면위에 TiO2 나노튜브를 성장시킨 후에 광활성 고분자(P3HT:PCBM)층과 PEDOT:PSS층을 순차적으로 도입한 금속전극을 CNT 섬유를 상대전극으로 둘러싼 섬유구조의 고분자 태양전지를 제조하였다. 두 전극은 밀착되어 있지만 결과적인 고분자 태양전지의 에너지전환 효율은 0.15%로 비교적 낮았는데 이는 광활성층인 두꺼운 TiO2 나노튜브에 의한 광흡수가 낮기 때문인 것으로 보인다.
③ 전기방사에 의한 나노섬유를 이용한 고분자 태양전지
유기 태양전지 분야에서 유기 반도체 나노섬유는 태양전지 소자의 광전전환효율을 높이기 위해 다양한 방법들을 통해 제조되어 사용되어지고 있다. 유기 반도체 나노섬유는 부피에 대한 표면적의 비율이 높고, 엑시톤의 확산 거리가 길며, 높은 전하 이동도를 가질 뿐만 아니라 형태의 조절이 쉽기 때문에 유기 태양전지 소자에서 활성층으로 사용되기 적합하다. 그러나 제조방법은 주로 자기 조립방법에 집중되어 있고 전기방사로 제조된 유기 반도체 나노섬유가 유기 태양전지에 직접적으로 사용된 예는 드물다. 이는 유기 태양전지에서 일반적으로 사용되는 전자주게와 전자받게 블렌드 시스템(P3HT와 플러렌 유도체)이 낮은 분자량과 경직된 분자구조로 인해 전기방사 시 나노섬유가 형성되기에 충분한 사슬 엉킴을 제공하지 못하기 때문이다.
최근 대만 National Univ. Singapore 연구팀은 동축 전기방사법으로 P3HT:PCBM 블렌드 나노섬유를 제조하고 광발전 특성을 평가하였다. 제조된 나노섬유 태양전지는 8.7×10-6%의 매우 낮은 광전전환 효율을 나타내었는데 이는 활성층인 P3HT:PCBM의 총 부피와 표면적이 일반적으로 사용되는 벌크 이종접합의 경우보다 작아서 전하 생성이 잘 일어나지 못하고, 정렬되지 못한 나노섬유웹의 형태가 전하 수송에 방해되기 때문인 것으로 판단된다. 또한 나노섬유웹과 전극 사이의 계면접촉이 균일하지 못한 것도 전극으로의 전하 추출 효율을 낮추는 원인이 될 수 있다.
