특허 개요
본 특허는 실내 조명의 약한 빛으로 전기를 생산하는 MXene 나노시트 첨가 유기 실내 광전지입니다. 투명 하부전극 위에 공여체·수용체 유기 반도체층과 상부전극을 적층하고, 활성층에 0.04～0.06부피퍼센트의 Ti3C2Tx MXene을 혼합하는 구조입니다. MXene 나노시트가 활성층의 표면 형태와 입자 경계를 조절하고 광산란을 유도해 흡수 강도를 높이며, 트랩 지원 재결합을 억제해 생성된 전하의 추출을 개선합니다.
- 핵심 기능
실내광이 투명 하부전극을 통과해 PM6:Y6 기반 유기물 반도체층에 도달하면 여기자가 생성되고, 공여체와 수용체 계면에서 양전하와 음전하로 분리됩니다. 혼합된 MXene 나노시트는 활성층의 결함·트랩과 입자 경계를 줄여 전하 수송·수집을 돕고, 정공수송층과 전자수송층을 거쳐 각 전극으로 전하가 이동하도록 합니다.
- 차별 강점
기존 유기 실내 광전지는 저조도에서 표면 결함과 트랩의 영향이 커지고, 종래 CN 첨가제는 혼화성 및 혼합물 형태 제어에 한계가 있었습니다. 본 특허는 특정 농도의 MXene을 활성층에 혼합해 광흡수, 형태 제어 및 재결합 억제를 함께 겨냥함으로써 효율적 전하 분리·수송을 구현한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 실내 조명 기반 에너지 하베스팅, 유기 광전지 소재·계면 설계, 저조도 전력 변환 및 무선 센서 전원 분야에 활용 가능하며, 실내 광원 조건에 맞춘 소자 최적화로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 무선 IoT 센서, 스마트홈·빌딩 센서, 전자 태그, 실내 환경 모니터링 노드 및 저전력 전자기기의 보조·자가 전원으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
PM6:Y6 유기 반도체층에 Ti3C2Tx MXene 농도를 달리 혼합한 소자를 대상으로 활성층 형태, 광흡수, 전하 재결합 및 광전 변환 특성을 분석했습니다. 1-sun, LED, 형광등, 할로겐 조명 조건에서 MXene 무첨가 소자와 비교했으나, 대면적 모듈 및 실제 실내 장기 구동 조건의 검증은 확인되지 않습니다.
- 소자 구성: ITO/2PACz/PM6:Y6:MXene/PDINO/Al 적층 실내 광전지
- 비교군: MXene 무첨가 PM6:Y6 소자
- 광원 조건: 1-sun 100 mW/cm², LED 1000-lx 0.23 mW/cm², 형광등 1000-lx 0.27 mW/cm², 할로겐 1000-lx 7.0 mW/cm²
현재 성과
MXene 0.06% 소자는 LED 1000-lx, 조사강도 0.23 mW/cm² 조건에서 평균 전력 변환 효율을 나타냈습니다. MXene 나노시트의 광산란에 따른 흡수 강도 향상과 트랩 지원 재결합 억제가 전하 추출 개선에 기여한 것으로 제시되었습니다.
PM6:Y6 혼합 활성층에 MXene 0.06%를 적용한 시료의 표면 형태를 AFM으로 평가했습니다. MXene 무첨가 PM6:Y6 시료의 Rq 1.748 nm와 비교해 표면 특성을 확인했으며, EDS·TEM·EQE·J-V 및 광강도 의존성 분석을 병행했습니다.
기존의 CN 첨가제는 낮은 혼화성과 혼합물 형태 제어의 한계로 저조도 조건에서 전하 분리·수송을 충분히 개선하기 어려웠습니다. 본 특허는 공여체·수용체 유기 반도체층에 MXene을 특정 농도로 혼합해 표면 결함, 입자 경계 및 트랩 지원 재결합을 함께 제어하는 구조를 제안합니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 모듈화 공정과 면적 확대에 따른 광전 변환 성능 재현성 검증
실제 실내 조도·광원 변동 환경에서의 장기 구동 수명 및 봉지 안정성 검증
무선 IoT 센서, 전자 태그 등 실사용 부하와의 전력 관리·소자 통합 검증
반복 제조 조건에 따른 MXene 분산, 활성층 형성 및 소자 성능의 재현성 확보
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
2차원 MXene 나노시트를 이용한 효율적인 실내 광전지 및 이의 제조 방법
10-2022-0152416 (2022.11.15)
1020240070927 (2024.05.22)
1028011260000 (2025.04.23)
심재원, 무하마드 아산 사이드, 김태혁, 아시프 샤자드 (스웨덴 웁살라대학교 재료공학부 고체물리학)
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단