특허 개요
본 특허는 실내 조명에서 전력을 생산하는 실내 광전지(IPV)에 동질접합 전하 수송층을 적용한 소자 및 제조 기술입니다. 투명 전극, 전자 수송층, 도너층·억셉터층으로 구성된 광활성층 위에 도너와 동일한 PTQ10 박막을 1～8nm 이하로 형성하며, PDMS에 코팅한 박막을 광활성층으로 옮기는 전사 라미네이션(transfer lamination) 방식으로 적층합니다. 같은 물질끼리 맞닿는 동질접합 계면이 전하 이동 경로를 정돈하고 계면 결함과 재결합을 낮춰, 정공 수송과 준-페르미 준위 분리를 개선하는 구조입니다.
- 핵심 기능
실내광이 PTQ10:Y6 광활성층에 들어오면 여기자가 생성되고, 도너층과 억셉터층에서 양전하와 음전하로 분리됩니다. 광활성층 위의 PTQ10 전하 수송층은 정공을 상부 전극으로 선택적으로 이동시키며, PDMS 전사 라미네이션으로 하부 광활성층 손상을 줄이면서 박막을 형성합니다.
- 차별 강점
종래 전하 수송층은 용액 공정 또는 열 증착으로 형성되어 표면 평탄화, 고온 처리, 공정 시간 및 하부층 손상 문제가 있었습니다. 본 기술은 광활성층 도너와 동일한 물질을 수송층으로 사용하고 전사 라미네이션으로 적층해 계면 결함·누설 전류·전하 재결합을 억제하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 저조도 유기 광전지, 실내 조명 에너지 하베스팅, 계면공학, 저전력 전원 설계 분야에 활용 가능하며, 무전원 IoT 센서와 실제 부하 연계 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 실내 환경 모니터링 센서, 스마트홈·빌딩 자동화 기기, 전자 태그, 저전력 무선 센서 노드용 보조전원 및 에너지 하베스팅 모듈로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
PTQ10:Y6 광활성층 위에 전사 적층한 PTQ10 전하 수송층 소자를 수송층이 없는 레퍼런스 장치와 비교해 광전 변환 성능, 계면 재결합, 트랩 밀도 및 표면 특성을 확인했습니다. 대면적 제조·모듈화, 장기 수명, 실제 IoT 부하 연계 및 다양한 실내 조도 환경에서의 실증은 추가 검증이 필요합니다.
- 소자 구성: PTQ10:Y6 광활성층과 전사 적층 PTQ10 전하 수송층을 적용한 실내 광전지
- 비교 소자: PTQ10 전하 수송층이 없는 레퍼런스 장치
- 조명·분석 조건: 할로겐 500lx·1000lx, LED 1000lx, 형광등 1000lx, AM1.5G 조건 및 AFM·SEM·UV-Vis·EQE·EIS·SCLC·FDTD 분석
현재 성과
PTQ10 전하 수송층을 적용한 제어 장치에서 1000lx 할로겐 조명 성능을 측정했습니다. 레퍼런스 장치 대비 PCE는 약 25%, 충전율은 약 13% 이상 향상된 것으로 제시됐으며, 동질접합 계면을 통한 전하 수송 개선 효과를 확인했습니다.
1000lx 할로겐 조건에서 전기화학 임피던스 분광법으로 계면 재결합 저항을 비교했습니다. 레퍼런스 장치의 Rrec 92.54kΩ와 비교해 더 큰 재결합 저항이 확인됐으며, 이는 전하 재결합 억제 특성을 뒷받침합니다.
광활성층 도너와 동일한 PTQ10을 전하 수송층으로 사용하고, PDMS 기반 전사 라미네이션으로 광활성층 위에 적층합니다. 용액 공정이나 열 증착에 의존하는 기존 수송층 형성 방식과 달리, 표면 평탄화 및 추가 열처리 없이 동질접합 계면을 구현하는 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 제조 공정과 모듈화 조건의 검증
장기 수명 및 실제 사용 환경에서의 안정성 검증
실제 IoT 부하 연계와 다양한 실내 조도·광원 환경에서의 발전 성능 실증
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
실내 광전지 및 이의 제작 방법
10-2022-0076333 (2022.06.22)
1020230175002 (2023.12.29)
1027893230000 (2025.03.27)
심재원, 김태혁
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단