UNIST(총장 정무영)는 이상영·서관용 에너지 및 화학공학부 교수팀이 에너지 생산과 저장이 동시에 가능한 '태양전지-배터리 일체형 모바일 전원(에너지 소자)'을 개발했다고 4일 밝혔다. 

리튬이온 배터리는 소비전략이 많이 요구돼 장시간 사용하기에는 부족한 면이 있다. 이로 인해 리튬이온 배터리의 사용시간을 늘리고 충전을 빠르게 하는 기술 개발의 필요성이 높다.  

이에 연구팀은 태양전지와 배터리를 알루미늄 판에 함께 일체화 했다. 알루미늄 판이 태양전지의 전극이자 배터리의 집전체(集電體)로 쓰이는 구조다. 외부 전선으로 둘을 연결하는 기존 방식과 달리 에너지 손실 없이 배터리 충전이 가능하다.

이를 위해 서관용 교수팀은 후면전극형 태양전지를 설계해 무손실 결정질 실리콘 태양전지 모듈을 구현했다. 단일 태양전지를 연결해 태양전지 모듈을 만들면 에너지 손실이 발생하는 데 후면전극형 설계로 이를 막았다. 

또 단일 실리콘 기판에 형성된 소형 태양전지의 배열을 그대로 이용해 모듈을 제조함으로써 공정을 단순화했다. 

이상영 교수팀은 프린팅 기술을 이용해 결정질 실리콘 모듈 위에 고체형 배터리를 안정적으로 집적했다. 고체 형태인 음극, 전해질, 양극을 순서대로 인쇄해 배터리를 만든 것. 이를 통해 태양전지와 배터리를 연결할 때 발생하는 저항과 공간 손실을 최소화했으며 최종 소자의 소형, 박막화가 가능해졌다.

연구팀은 에너지 소자가 신용카드 안에 삽입할 정도로 얇고, 장착된 LED도 켤 수 있어 휴대용 전원으로 활용할 수 있음을 전망했다. 태양광 아래에서는 단 2분 만에 배터리 충전이 가능하고 태양광보다 조도가 10배 낮은 실내조명에서도 충전이 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다. 또 60도의 높은 온도에서도 안정적인 에너지 생산과 저장 능력을 구현할 수 있다. 

이상영 교수는 "태양전지-배터리 일체형 에너지 소자를 얇게 만들고, 태양광 아래서는 별도 충전 없이 배터리를 계속 사용할 수 있다는 점이 가장 주목할 부분"이라며 "스마트폰 등 모바일 전자기기의 사용 시간과 충전에 대한 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"고 말했다.  

이번 연구는 미래창조과학부의 '신진연구지원사업', '기본연구지원사업', '중견연구자(도약)지원사업' 및 웨어러블 플랫폼소재 선도연구센터의 지원으로 진행됐다. 연구 성과는 '에너지 및 환경 과학지(Energy&Environmental Science)' 4월호 표지논문으로 출판될 예정이다.