​[대학소식]경상국립대 김윤희 교수, '이달의 과학기술인상 '선정' 外

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(진주)박연진 기자
입력 2023-08-02 16:12
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  • 고효율·고안정성 유기 태양전지 소자 개발...'상용화' 발판 마련

사진 왼쪽은 경상국립대 김윤희 교수오른쪽 순서대로 경상국립대 대학원 에너지시스템공학과 석사과정 유근 씨 경상국립대 에너지공학과 안건형 교수사진경상국립대
사진 왼쪽은 경상국립대 김윤희 교수.오른쪽 순서대로 경상국립대 대학원 에너지시스템공학과 석사과정 유근 씨, 경상국립대 에너지공학과 안건형 교수[사진=경상국립대]
경상국립대학교 자연과학대학 화학과 김윤희 교수가 과학기술인상 8월 수상자로 선정됐다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 '이 달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1000만원을 수여하는 상이다.

과기정통부와 연구재단은 김윤희 교수가 고효율·고안정성의 유기반도체 소재 원천 기술을 개발해 유기 태양전지 등 차세대 전자소자의 상용화 발판을 마련하고 국가 산업 경쟁력을 강화한 공로를 높게 평가했다.

태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로 빛이 비치는 곳 어디서나 전기를 생산할 수 있는 친환경적 전력원이다. 특히 유기 태양전지는 유연하고 투명한 기판에도 제조가 가능하며, 가볍고 휴대가 편리해 유비쿼터스 환경과 유연 전자기기에 적합한 전력 공급원으로 주목받으며 시장성도 급속히 커지고 있다.

태양빛을 에너지로 전환하는 높은 광전 변환효율과 장기 안정성은 유기 태양전지 상용화의 기본 조건이다.

최근 유기 태양전지는 높은 광흡수 능력과 빠른 전하이동도를 확보해 전력 변환효율을 획기적으로 개선했지만, 박막의 장기 안정성은 여전히 부족한 실정이다.

유기 태양전지의 광활성층은 태양빛을 받아 전자를 만들어 보내는 전자 주개(Donor) 물질과 전자 주개에서 전자를 받는 전자 받개(Acceptor) 물질로 구성된다.

기존 저분자 전자 받개는 효율은 높지만 시간이 지나면 안정성이 감소했으며, 고분자 전자 받개는 박막 안정성은 우수하나 효율이 상대적으로 낮았다.

김윤희 교수 연구팀은 전자 주개 고분자의 일부와 저분자 전자 받개 사이를 연결하는 새로운 이량체 비플러렌계 소재를 설계·합성해 문제해결의 실마리를 찾았다. 

김윤희 교수 연구팀은 일정한 분자량을 갖는 단분자 소재의 장점과 박막 특성이 안정적인 고분자 소재의 장점을 모두 살린 이량체 비플러렌계 소재를 기반으로 고효율·고안정성 유기 태양전지 소자 개발에 성공했다.

연구팀은 18% 이상의 높은 광전 변환 효율과 6000시간 이상의 수명 안정성을 유지하는 새로운 소자를 개발해 유기 박막 태양전지의 실질적인 실용화 가능성을 제시했으며, 연구성과를 국제학술지 '줄(Joule)' 3월호에 게재했다.

김윤희 교수는 “이번 연구는 장기 안정성과 고효율의 기계적·전기적 특성을 동시에 가지는 이합체 전자 받개 소재 개발에 대한 새로운 개념을 제시한 데 의의가 있다”며 “앞으로 환경 친화적 대체 에너지인 유기태양전지 상용화로 언제 어디서나 친환경 에너지를 쓸 수 있게 되기를 기대한다"고 밝혔다. 
경상국립대, 열폭주 및 화재 위험 없는 ESS용 고용량 수계 아연-이온 전지 개발
에너지공학과 안건형 교수팀, 수계 이차전지 논문 23건, 특허 15건 확보
 
경상국립대 안건형 교수팀의 아연-이온 전지 시작품 사진경상국립대
경상국립대 안건형 교수팀의 아연-이온 전지 시작품 [사진=경상국립대]
경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀은 대학원 에너지시스템공학과 석사과정 유근 씨가 제1저자로 참여한 논문이 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'(IF 20.4, JCR 상위 4.2%) 최신호에 게재됐다고 밝혔다.

논문 제목은 ‘전해질 첨가제를 통한 안정적인 고성능 아연-이온 전지를 위한 통합 솔루션(Integrated solution for a stable and high-performance zinc-ion battery using an electrolyte additive)’이다.

환경 위기로 인해 지속 가능한 신재생 에너지 기술의 필요성이 대두되고 있다. 특히 풍력 및 태양 에너지와 같은 신재생 에너지 기술의 비중이 증가함에 따라 안정적인 전력망과 예비 전력 확보가 중요해지고 있다. 

이에 따라 신재생 에너지 시장의 확대와 함께 간헐적 출력을 관리하는 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS) 시장 또한 동반 성장할 것으로 예상하고 있으나 기존 리튬-이온 전지를 사용하는 ESS는 열폭주 현상으로 인한 화재나 폭발 등의 문제로 인해 대규모 및 실내 적용에 한계가 존재한다.

아연-이온 전지는 저렴한 가격과 높은 이론 용량, 안정한 아연 금속 및 물 기반의 전해질 사용 등 많은 장점으로 인해 전 세계적으로 많은 관심을 끌었다. 

그러나 아연-이온 전지는 아연 음극 표면의 불균일한 덴드라이트 성장과 수소 발생, 부산물 형성 등과 같은 부반응으로 인해 전지 수명을 제한하며, 산성 수계 전해질에 양극 활물질이 용해되어 전지의 구조적 열화로 인해 배터리 분극화, 낮은 용량 및 빠른 용량 감소를 초래한다.
 
경상국립대 안건형 교수팀 연구내용 이미지경상국립대학교
경상국립대 안건형 교수팀 연구내용 [이미지=경상국립대학교]
경상국립대 에너지공학과 안건형 교수 연구팀은 아연-이온 전지의 전해질 첨가제로 바나듐(IV) 산화물 황산염(VOSO4)을 도입해 음극과 양극의 문제를 동시에 해결하는 효율적인 전략을 통해 안정적이며 고성능인 아연-이온 전지를 개발했다.

한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 전해질 첨가제를 사용해 자발적으로 형성된 아연 바나듐 수화물(ZVO; zinc vanadium hydrate) 층이 핵심기술이다.

결과적으로 아연 음극의 부식 및 수소 발생을 억제하고, 비가역적인 아연 수상 돌기의 형성을 억제해 사이클링 안정성을 향상시켰다.

또한 양극 활물질의 용해를 억제해 사이클이 지속되는 동안에도 안정적인 구조를 유지했으며, 양극의 층간 격자 내에 포함된 물(H2O)의 양이 증가해 전지의 에너지 저장 성능이 향상됐다.

안건형 교수팀은 수계 이차전지 관련 논문 23건, 특허 15건 등 원천기술 및 지식재산권을 확보하여 수계 이차전지의 산업화 진입을 위해 노력하고 있다.

이번 논문의 제1저자로 참여한 경상국립대 석사과정 유근 씨는 “이번 연구성과가 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지에 게재됨으로써 우리 연구팀의 노력이 결실을 맺은 것 같아 매우 기쁘고 영광으로 생각한다. 이러한 성과는 지속 가능한 미래를 위한 긍정적인 영향을 줄 수 있을 것이라고 기대한다.”라며 “앞으로도 아연-이온 전지 시스템의 설계와 최적화를 연구하여 실제 산업 응용에 도움이 되는 기술을 개발하고자 노력할 것”이라고 말했다.

연구책임자인 안건형 교수는 “수계 전해질 기반의 에너지 저장 기술에서 산업적으로 주목받을 수 있는 발견이며, 이를 토대로 후속 기술 개발을 통해 산업화에 적극적으로 도전할 계획”이라고 말했다. 

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