16시간을, 단 30분 만으로!

재료硏-부산대-한국항공대, 섬유형 태양전지 염료흡착 시간 기존 대비 97% 단축

# 티타늄 기반 금속-유기 골격체(Ti-MOF) 소재와 전기화학을 결합해, 섬유형 태양전지의 염료흡착 시간을 30분으로 단축하고, 기존과 유사한 광전변환효율 확보

# 5,000회 반복 굽힘·20회 세탁 후에도 우수한 내구성 확보, 실내조명으로 손목시계·액정소자 구동 성공

ㅇ 한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 송명관 박사, 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 공동으로, 섬유형 태양전지의 핵심 제조공정인 염료흡착시간을 기존 16시간에서 단 30분으로 약 97% 단축하는 기술을 개발했다. 이번 연구성과는 공정시간의 획기적인 단축과 기존 수준에 근접한 발전효율을 동시에 확보하고, 하나의 섬유형 소자에 전기 생산과 유해가스 감지 기능까지 함께 구현한 것이다. 향후 산업현장의 안전을 지키는 스마트 보호복과 차세대 웨어러블 전자기기 개발에 기여할 것으로 기대된다.

ㅇ 섬유형 태양전지는 실처럼 가늘고 유연해 옷감에 넣거나 직조할 수 있는 차세대 에너지 소자다. 특히 염료가 빛을 흡수해 전기를 생산하는 ‘염료감응 태양전지'는 가볍고 유연해 스마트 의류와 웨어러블 전자기기의 전원으로 주목받고 있다. 그러나 기존에는 빛을 흡수하는 염료분자를 전극 표면에 붙이기 위해 장시간 염료 용액에 담가두어야 했다. 염료가 자연스럽게 이동해 전극에 달라붙는 방식이기 때문에, 충분한 양을 흡착시키려면 약 16시간이 소요됐고, 이는 제조시간을 늘리고 대량생산을 어렵게 하는 주요 요인이었다.

ㅇ 연구팀은 이를 해결하기 위해 Ti-MOF와 전기화학 염료흡착 기술을 결합해, 염료흡착 시간을 획기적으로 단축하는 핵심 공정기술을 개발했다. 먼저 미세한 기공과 넓은 표면적을 가진 Ti-MOF를 이산화티타늄(TiO2) 섬유형 광전극에 적용해 염료분자가 흡착할 수 있는 공간을 늘렸다. 여기에 전기장을 가해, 염료분자가 광전극으로 이동하고 흡착하는 과정을 촉진해 짧은 시간에도 충분한 양의 염료를 흡착시키도록 했다.

ㅇ 연구팀은 5V의 전압을 30분간 가하는 공정을 적용해, 염료흡착 시간을 기존 16시간 대비 약 97% 단축하면서도 7.06%의 광전변환효율을 확보했다. 이는 기존 16시간 공정의 Ti-MOF 적용 태양전지 효율(7.45%) 대비 약 95% 수준으로, Ti-MOF 미적용 소자(5.54%)보다도 높은 수치다. 또한 5,000회 반복 굽힘 후에도 Ti-MOF 미적용 소자보다 높은 효율 유지율을 보였으며, 20회 세탁 후에도 초기 발전효율의 약 80%를 유지했다. 150℃에서 60시간 동안 열에 노출된 후에도 정상적으로 작동했으며, 특히 야외에서는 디지털 손목시계를, 약 907룩스(lx)의 실내조명 아래에서는 디지털 손목시계와 액정소자를 작동시켜 실제 의류 형태에서도 주변의 빛만으로 전자기기에 전력을 공급할 수 있음을 입증했다.

ㅇ 연구팀은 나아가 하나의 섬유형 소자에 전기 생산과 유해가스 감지 기능을 결합한 다기능 기술도 구현했다. Ti-MOF 기반 섬유 구조를 활용해 태양전지 기능뿐 아니라 메탄(CH4)가스를 감지하는 센서 기능까지 확보한 것이다. 특히 상온에서 1,000ppm 농도의 메탄가스에 반복적으로 노출했을 때 뚜렷한 감지 신호를 확인해, 에너지 생산을 넘어 환경 감지 기능까지 수행할 수 있음을 입증했다.

ㅇ 이번 연구는 섬유형 태양전지의 핵심 제조공정을 획기적으로 단축하고, 차세대 다기능 스마트 섬유의 활용 가능성을 넓혔다는 점에서 의미가 크다. 특히 섬유 고유의 유연성과 경량성을 유지하면서 에너지 생산과 환경 감지 기능을 결합해, 웨어러블 전자기기의 에너지 자립성과 활용성을 높이는 기술적 기반을 마련했다. 향후 유해가스 노출 위험이 큰 산업현장의 스마트 보호복을 비롯해 실시간 환경감시 시스템, 지능형 기능성 의류, 사물인터넷(IoT) 기반 안전관리 기술 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

ㅇ 연구책임자인 KIMS 송명관 책임연구원은 “섬유형 태양전지의 염료흡착 시간을 기존 16시간에서 30분으로 획기적으로 단축한 것과 함께 기존에 근접한 발전 성능까지 확보한 것을 주목할 필요가 있다”라며, “향후 연속 제조공정으로 기술을 확대해 스마트 의류와 웨어러블 전자기기용 전원의 생산성을 높이고, 다양한 MOF 소재의 유해가스 감지 특성을 체계적으로 분석해 자가발전형 센서의 실용화 가능성을 높여 나갈 계획”이라고 말했다.

ㅇ 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIMS 기본사업과 글로벌선도연구센터 지원사업, 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP 전략연구단 사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 화학공학 분야의 세계적 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 12.5)'에 2026년 10월 6일 온라인 게재됐다.

* 논문(Chemical Engineering Journal) DOI 주소 : https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.182790

출처 : 한국재료연구원 언론보도/연구성과(26.10.28.)