- 빛 투과율 높여 태양전지 효율 향상시키는 대면적화 코팅기술 개발, 향후 차량용 디스플레이 등 응용 기대
- 과학기술 분야 국제학술지 Advanced Functional Materials 2023년 6월호 표지 논문 게재

태양전지, 디스플레이 등에 쓰이는 반사방지 코팅 소재 시장이 빠르게 성장하고 있는 가운데, 빛을 잘 투과시켜 기존보다 태양전지 효율을 높이면서 대면적으로도 제조할 수 있는 새로운 코팅 소재가 개발됐다.

한국화학연구원(원장 이영국) 이상진 박사, UNIST(총장 이용훈) 김진영 교수 공동 연구팀이 개발한 새로운 태양전지용 반사방지 코팅 소재는 향후 다양한 종류의 태양전지에 상용화될 수 있으며, 태양전지 외에도 스마트폰, 컴퓨터 등의 첨단 디스플레이의 빛 반사방지 코팅 소재로 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 원리로 구동된다. 따라서 반사되지 않고 투과되는 빛의 양이 많을수록 태양전지의 효율이 높아진다. 그러므로 태양전지의 반사방지 코팅 필름은 전체 빛 투과율을 높여 태양전지의 효율을 높일 수 있는 중요한 소재다. 그러나 지금까지 투과율을 높이면서 대면적화가 가능한 반사방지 코팅 소재를 만들기 어려워 주로 코팅 대신 특정 필름을 제조해 기판 위에 추가로 붙여야 하는 복잡한 공정을 거쳐야 했다.

반사방지 코팅 소재는 대부분 박막 형태의 아주 얇은 필름으로, 원재료 덩어리로부터 얇은 필름을 만들기 위해 상용화 과정에서 ‘스퍼터링*’이 필수적이다.

* 스퍼터링(Sputtering): 진공 상태에서 전기를 통해 에너지를 갖는 양이온을 원재료(음극)에 충돌시키는데, 이때 원재료의 원자 또는 분자가 튀어나와 아주 얇은 막 형태로 주위에 부착되는 공정

대면적 반사방지 코팅 소재를 제조하기 위해 롤투롤 스퍼터링 공정을 진행하는 모습

스퍼터링 공정은 전기를 사용하므로 전기가 잘 통하지 않는 재료는 상용화에 적합하지 않다. 반사방지를 위해서는 빛의 굴절률*이 낮은 소재가 필요한데, 이러한 소재들은 대부분 전기가 잘 통하지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해 스퍼터링 공정에 고주파 전원을 도입해 코팅할 수 있지만, 고주파 방식은 넓은 공간에 높은 에너지를 균일하게 주입하기 힘들어서 대면적 양산 코팅 공정에 적용하기가 매우 어렵다.

* 굴절률은 물질에서의 빛의 속도 차이를 나타나는 데, 낮은 굴절률을 가지는 재료(대표적으로 유리) 위에 높은 굴절률을 가지는 재료를 코팅하면 반사가 증가하는 효과가 나타난다. 따라서, 유리를 기판으로 사용하는 기기들은 유리보다 훨씬 낮은 굴절률을 가지는 재료로 코팅해야 반사방지 효과가 우수하게 나타난다.

연구진이 롤투롤로 제작된 대면적 반사방지 필름을 들고 있는 모습

따라서 ▲굴절률이 낮아 빛 투과율을 향상시키면서도 ▲ 스퍼터링 공정을 활용해 대면적으로 만들 수 있는 두 가지 상충된 속성을 동시에 만족하는 코팅 소재가 개발된 적이 없다. 이에 연구팀은 불소 고분자 소재에 전도성 첨가제를 주입한 방식으로, ▲ 태양전지 효율을 높이면서 ▲ 대면적 상용화도 가능한 새로운 코팅 소재 기술을 개발했다.

화학연의 반사방지 코팅을 적용한 필름은 기존 필름에 비해 바닥의 글자가 선명하게 보이는 효과를 나타낸다(좌). 화학연 롤투롤 장비로 제작된 코팅 소재의 투명도(우)

연구팀은 빛 투과율이 높고 굴절률이 매우 낮은 소재로 불소 고분자 소재를 선택했다. 여기에 전기를 통하기 위해 전도성 물질인 탄소나노튜브*를 첨가해 새로운 코팅 소재를 만들었다. 이 소재는 상용화에 걸림돌이 되었던 고주파 스퍼터링 방식이 전혀 필요 없고, 일반 스퍼터링 방식을 사용하기 때문에 대면적으로 코팅 필름을 쉽게 제조할 수 있다.

* 탄소나노튜브: 원통형 모양의 나노 구조를 지니는 탄소의 형태. 전기 전도 특성이 우수하다.

화학연에서 개발한 타겟을 이용한 스퍼터링 코팅 공정 개념도

또한 연구팀은 코팅 과정에서 코팅 소재 속의 불소 물질이 태양전지에 도핑되면 전지의 효율 향상에 도움이 된다는 것을 발견했다. 연구팀은 스퍼터링 공정에서 비스듬히 기울여 코팅해, 코팅 소재 속의 불소 물질이 태양전지의 전하 수송 층*에 일부 스며들게 했다. 실험 결과, 태양전지의 전하 이동도가 코팅 전보다 45% 향상된 것으로 나타났다. 또한 새로운 코팅 소재는 발수 성능이 좋아 비가 오면 태양전지 표면을 스스로 깨끗하게 세척하는 효과도 가지고 있다.

* Electron Transport Layer, ETL. 페로브스카이트 태양전지를 이루고 있는 소재 층 중 하나로, 빛에 의해 생성된 전기를 수송하는 역할을 한다.

개발된 코팅 소재를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 테스트한 결과, 유리 기판의 가시광선 영역에서 평균 빛 투과율이 3.2%p 높아졌으며, 최종 태양전지의 효율은 적용 전 24.17%에서 적용 후 25.30% 효율로 1.13%p가 증가한 것으로 나타났다. 태양전지 효율은 0.1%p를 올리기 위해서도 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있기 때문에 유의미한 결과로 볼 수 있다.

연구팀은 본 기술에 대한 국내외 특허를 바탕으로, 보유 중인 스퍼터링 공정 장비와 롤투롤 장비를 통해 필름 폭이 700㎜인 파일럿 스케일 수준의 롤투롤 연속 코팅 소재 시범 제조 기술을 확보했다. 후속 연구를 통해, 현재 대기업에서 실제로 생산하고 있는 필름 규모의 3m(10G급) 폭의 디스플레이 코팅 공정에도 적용이 가능하다.

화학연 개발 대면적 롤투롤 스퍼터링용 불소 고분자 복합 타겟. 화학연에서는 양산용으로 적합한 대면적 스퍼터링 타겟을 개발하였다.

이번 연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials (IF: 19))’ 6월호 표지 논문*으로 게재됐다.

* 논문명:

- 영문 : Highly Improved Photocurrent Density and Efficiency of Perovskite Solar Cells via Inclined Fluorine Sputtering Process

- 국문 : 비스듬한 불소 스퍼터링 공정에 의한 페로브스카이트 태양전지의 광전류 밀도와 효율
특성 향상

화학연 이영국 원장은 “반사방지 코팅 소재 시장이 빠르게 커지고 있지만, 국내 기술이 매우 부족한 상황에서, 이번 기술은 태양전지를 비롯한 차량용 디스플레이 등 첨단 디스플레이 코팅 소재로도 응용 가능해 국내 첨단 소재 기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.

한편, 본 연구는 한국화학연구원 기본사업, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

< 연구진 소개 >

	○ 성명: 이상진 ○ 소속: 한국화학연구원 화학소재솔루션센터 ○ 전화: 042-860-7902 (cell:010-2842-5054) ○ 이메일: leesj@krict.re.kr
	○ 성명: 조은미 ○ 소속: 한국화학연구원 화학소재솔루션센터 학생연구원 ○ 전화: 042-860-7917 ○ 이메일: jommy@krict.re.kr