특허 개요
본 특허는 실내 조명으로 전력을 생산하는 유기 광전지에 ABA 자가 조립형 단일층을 적용한 고성능 실내 광전지입니다. 투명 전극 위 ZnO 전자 수송층에 ABA(Amino-benzoic acid) 계면층을 형성하고, 그 위에 PM6:L8-BO 도너·억셉터 광활성층, 정공 수송층 및 금속 전극을 적층합니다. ABA의 카복실기 헤드 그룹이 ZnO 표면과 결합해 일함수, 표면 거칠기 및 계면 전하수송 특성을 조절하고, 전자 이동을 돕는 동시에 정공 이동·전하 재결합 및 ZnO 확산을 억제하는 방식입니다.
- 핵심 기능
ABA 용액을 교반·가열한 뒤 ZnO 전자 수송층 위에 스핀 코팅하고 어닐링해 자가 조립형 단일층을 형성합니다. 이 계면층이 광활성층에서 분리된 전자의 전달 경로를 개선하고 정공 이동과 재결합을 억제해, 실내 광원에서 전력 생산과 광안정성 확보를 목표로 합니다.
- 차별 강점
기존 ZnO 전자 수송층은 습기 환경에서 산소 치환에 따른 불안정성과 광활성층으로의 확산 문제가 있었으며, 저조도에서는 재결합 손실의 영향도 커질 수 있습니다. 본 특허는 ZnO 위에 ABA 자가 조립형 단일층을 추가해 에너지 준위와 표면 특성을 함께 조절함으로써 전하수송 활성화, 재결합 저감 및 광안정성 개선을 도모한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 실내 광에너지 수확, 유기 광전지, 저전력 전원, 계면 공학, 무선 센서 노드 분야에 활용 가능하며, 실내 조도와 광원 조건에 맞춘 소자 최적화로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 IoT 센서, 실내 환경 모니터링 장치, 스마트홈 센서, 전자 태그, 배터리 교체 저감형 실내 전자기기 전원으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
ZnO 전자 수송층 위 ABA 자가 조립형 단일층을 포함한 PM6:L8-BO 실내 광전지를 ZnO 단일 전자 수송층 대조군과 비교해 성능·계면·안정성을 평가했습니다. 1000 lx 할로젠·LED·형광 램프 조건과 120시간 연속 광 조사 조건에서 결과를 확인했으나, 실제 제품 환경의 장기 수명, 대면적 제조, 모듈 통합 성능은 검증되지 않았습니다.
- 소자 구성: ZnO 전자 수송층 위 ABA 자가 조립형 단일층을 적용한 PM6:L8-BO 실내 광전지
- 비교 소자: ABA 처리 없는 ZnO 단일 전자 수송층 대조군
- 조명·안정성 조건: 1000 lx 할로젠·LED·형광 램프 및 120시간 연속 광 조사
현재 성과
ABA 자가 조립형 단일층을 적용한 소자는 1000 lx 할로젠 램프 조건에서 최대 출력 전력 354.48μW cm⁻²를 기록했습니다. ZnO 대조군 대비 최대 출력 전력은 14.68% 향상된 것으로 제시됐으며, 실내 저조도 환경에서 계면 전하수송 개선 효과를 확인한 결과입니다.
1000 lx 할로젠 램프 조건에서 120시간 연속 광 조사를 수행해 광열 안정성을 평가했습니다. ABA 단일층 적용 소자는 120시간 후 초기 PCE의 74%를 유지했으며, 비교 소자와 함께 시간 경과에 따른 성능 변화를 확인했습니다.
기존 ZnO 전자 수송층만 사용하는 구조와 달리, ABA 자가 조립형 단일층을 ZnO 표면에 결합해 일함수와 표면 특성을 조절합니다. 이 구조는 전자 수송을 활성화하고 정공 수송, 전하 재결합 및 ZnO의 광활성층 확산을 억제하도록 설계된 점에서 차별성이 있습니다.
상용화까지 남은 부분
실제 제품 환경에서의 장기 수명과 온습도·조도 변화에 대한 신뢰성 검증
대면적 소자 제조 시 ABA 계면층 형성 조건의 균일성 및 반복 재현성 확보
다양한 실내 광원·조도 조건에서의 모듈 통합 성능과 IoT 부하 구동 성능 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
고성능 실내 광전지 및 이의 제조 방법
10-2024-0032570 (2024.03.07)
1020250136049 (2025.09.16)
1029332280000 (2026.02.25)
심재원, 강예림, 오승현
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단