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고려대학교 전기전자공학부 심재원·김태근 교수, 이화여대 화학나노과학과 김동하 교수 공동 연구팀이 실내조명을 이용해 전력을 생산할 수 있는 고효율 광전 소자를 개발했다고 밝힘.

연구팀은 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있는 페로브스카이트를 실내조명에 최적화하는 연구를 통해, 1천룩스 이하의 낮은 조도를 갖는 LED조명 아래에서 최대 34.5%의 광전변환효율을 기록하는 데 성공했음.

연구팀이 기록한 광전변환효율은 실내조명은 물론 상용화된 태양전지(평균 17%)에 비해 훨씬 뛰어난 결과로, 태양전지가 실내 사물인터넷(IoT)기기의 구동을 위한 전력공급원으로 사용될 수 있는 가능성을 한층 높이게 됐음.

실내조명을 에너지원으로 사용하는 전지에 대한 연구는 최근 사용이 늘어나고 있는 사물인터넷 기반 무선 센서, 스마트폰 등 실내에서 사용되는 전자장치들에 필요한 전력을, 실내에서 발생한 에너지를 재활용해 사용하고자 하는 노력의 일환임. 특히 조명은 건물 내 전력소비에서 차지하는 비율이 높고 활용하기 쉬워서 태양전지 기술을 실내조명에 적용한 광전소자 연구가 주목받고 있음.

실내조명은 태양광에 비해 빛의 세기가 매우 약하고 파장대역도 태양광보다 훨씬 제한적임. 따라서 외부 태양광을 전제로 개발된 태양전지 기술은 실내조명에 바로 적용할 수 없음. 가장 흔하게 사용되는 실리콘 태양전지는 2천룩스 이하의 저조도에서는 전기 생산이 어렵다고 알려져 있음.

고려대-이화여대 공동연구팀은 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있는 유/무기 하이브리드 페로브스카이트 소재를 기반으로, 저조도의 실내조명 하에서 광활성층의 전기적 손실을 최적화할 수 있는 기술을 개발했음. 연구팀은 "페로브스카이트 광활성층의 계면 형태를 제어해 빛에 의해 생성된 여기자(엑시톤)가 다시 결합해 소실되지 않도록 최적화한 것이 핵심"이라고 설명했음.

연구팀은 이같은 광흡수층 최적화를 통해 200룩스의 LED조명에서도 전력을 생산할 수 있었으며, 현재 실내 전자장치를 구동하기에 충분한 1제곱센티미터당 0.28mW의 전력생산을 기록했다고 밝힘.

심재원 교수는 "사물인터넷, 인공지능 등 첨단기술의 수요가 폭발적으로 증가하고 있기에 이를 구동 가능하게 하는 전원에 대한 연구 또한 상당한 주목을 받는 상황"이라면서, "사물인터넷 센서의 전원문제를 해결해, 스마트센서 기술이 더욱 폭넓게 사용될 수 있을 것"이라고 기대함.

임주원 연구원(제1저자)은 “이번에 개발한 장치는 버려지는 실내 조명과 같은 에너지를 획기적으로 포획, 미래의 에너지 절약에 실질적인 의미를 제공할 수 있다”며 “기존 태양광에서 LED와 같은 실내등으로의 새로운 유형의 전원 개발로 이어질 것”이라고 덧붙였음.

본 연구 성과는 ‘Nano Energy’ 지에 게재되었으며, 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 중견연구자지원사업, 리더연구자지원사업, 이공학개인기초 등의 지원으로 수행됨.