김태근 고려대학교 공학대학 전기전자공학부 교수 연구팀이 2차원 티타늄 카바이드(Ti3C2Tx) 맥신 (MXene) 기반의 다층 구조(Ti3C2Tx MXene/Ag/Ti3C2Tx MXene) 유연투명전극을 활용해 하나의 칩에 메모리와 학습 기능을 갖춘 유기태양전지 (MemOSC)를 개발하는데 성공했다.

유기태양전지(OSC)는 높은 전력변환효율과 함께 저비용, 초경량, 기계적 유연성, 대면적화의 장점으로 주목받고 있으며 이러한 소자에 학습 능력을 탑재하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 

한편 면저항이 낮으면서 투명하고 기계적 안정성이 높은 전극개발은 태양전지를 포함한 모든 광전소자의 성능을 결정하는 핵심 요소이다. 

인듐주석산화물(ITO) 기반의 전극은 고투과, 고전도 특성으로 인해 현재 상업적으로 사용되고 있지만 기계적 유연성이 낮고 높은 인듐 가격 등의 한계를 갖는다.

연구팀은 스핀코팅과 스퍼터링에 의해 제작된 Ti3C2Tx MXene/Ag/Ti3C2Tx MXene 다층구조의 전극 표면에 Zn 나노 입자를 도핑함으로써 쉽게 전극의 일함수를 제어하면서 9.7 Ω sq-1의 낮은 면저항, 84%의 높은 투과도, 2000회 밴딩 테스트에서도 안정적인 특성을 갖는 유연투명전극개발에 성공했다. 

이렇게 개발된 전극을 탑재한 기억 학습 유기태양전지(MemOSC)는 13.86%의 전력변환효율을 보였으며 수백 번의 스위칭 사이클 후에도 안정적인 태양광 성능을 유지했다. 동시에 0.60, −0.33 V의 낮은 구동 전압, 높은 on/off 비 (103), 안정적인 내구성 (4 x 103) 및 우수한 기억유지특성 (>104 s) 등 우수한 메모리 성능을 데모했다.


이번 연구 결과는 2차원 맥신 기반의 다층전극 구조가 유기태양전지의 유연투명전극으로 잘 동작하면서 동시에 전기 판독이 가능한 비휘발성 메모리 기능을 수행할 수 있음을 보여준다. 

또한 에너지 수집, 인공 시냅스(기억, 학습) 기능을 집적해 미래 에너지 통합 소자, 시스템 구현에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원으로 수행됐으며 논문은 세계적 권위 학술지 ‘Advanced Science[IF:17.521, 인용순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 5.94%]’에 현지 시간 5월 3일자로 게재됐다.



복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
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