특허 개요
본 특허는 실내 조명을 받아 전력을 생산하는 페로브스카이트 양자점 기반 실내 광전지와 그 제조 방법에 관한 기술입니다. 투명 FTO 하부 전극, TiO₂ 전자 수송층, LBL(layer-by-layer) 증착 페로브스카이트 양자점 광활성층, Spiro-OMeTAD 전하 수송층 및 MoO₃/Ag 상부 전극을 적층하며, 양자점 표면의 장쇄 절연 리간드를 2PACz 표면 부동태화로 교체합니다. 짧은 사슬·컨쥬게이션 구조의 2PACz가 트랩 상태를 줄이고 전하 이동을 돕는 동시에 카르바졸기의 소수성으로 수분 안정성 향상에 기여합니다.
- 핵심 기능
실내 광이 양자점 광활성층에 흡수되면 여기자가 생성되고, 분리된 전하는 TiO₂ 전자 수송층과 Spiro-OMeTAD 전하 수송층을 거쳐 양 전극으로 수집됩니다. LBL 증착 후 2PACz로 표면 리간드를 교체해 양자점 박막의 트랩 보조 재결합을 줄이고 전하 수송 경로를 개선합니다.
- 차별 강점
기존 페로브스카이트 양자점 박막은 장쇄 절연 리간드가 전하 전달을 제한하고 수분 안정성이 낮은 문제가 있었습니다. 본 기술은 LBL 증착 양자점 박막에 2PACz 리간드 교체 부동태화를 적용해 전하 수송, 재결합 억제 및 수분 안정성을 함께 개선하는 구조가 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 실내광 에너지 하베스팅, 페로브스카이트 양자점 소자, 저조도 광전변환, 무선 센서 전원 분야에 활용 가능하며, 목표 조도와 광원에 맞춘 소자 최적화로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 IoT 실내용 센서, 스마트홈 전자기기, 전자 태그, 저조도 무선 센서 노드 및 배터리 보조·대체 전원 제품군으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
2PACz 표면 부동태화 양자점 박막 기반 소자를 제작하고, 부동태화를 적용하지 않은 대조군과 비교하여 광전변환 특성, 전하 재결합, 트랩 상태 및 습도 안정성을 평가했습니다. AM1.5G 및 LED·FL 1000lux, 상대습도 20～30% 조건의 검증은 제시됐으나, 다양한 실내 조도·광원에서의 장기 수명, 대면적 재현성 및 실제 IoT 부하 연계는 확인되지 않았습니다.
- 평가 시료: 2PACz 표면 부동태화 페로브스카이트 양자점 박막 기반 실내 광전지
- 비교 소자: 표면 부동태화를 적용하지 않은 페로브스카이트 양자점 광전지
- 광원 조건: AM1.5G 및 LED·FL 1000lux
- 안정성 조건: 상대습도 20～30%
현재 성과
2PACz 표면 부동태화 소자는 LED·FL 1000lux 조건에서 광전변환효율 40.3 ± 0.6%, 개방회로전압 984 ± 8mV, 충진계수 76.7 ± 1.0%를 보였습니다. 장쇄 절연 리간드를 교체해 전하 수송을 개선하고 트랩 보조 재결합 손실을 낮춘 결과로 제시됐습니다.
2PACz가 양자점 박막에 결합해 존재하고 부동태화 전후 결정성 변화가 없음을 FT-IR 및 X선 회절 분석으로 확인했습니다. 상대습도 20～30% 조건에서 제작 후 144시간 및 500시간 동안 효율 유지 특성을 평가했으며, 실데이터 장기 수명은 다양한 운용 조건의 PoC에서 추가 확인이 필요합니다.
기존 양자점 박막의 장쇄 절연 유기 리간드가 전하 전달을 제한하는 문제에 대응해, LBL 증착 후 2PACz로 리간드를 교체하는 표면 부동태화 공정을 적용했습니다. 2PACz의 짧은 사슬·컨쥬게이션 구조와 카르바졸기 소수성을 활용해 전하 수송과 수분 안정성을 함께 개선하도록 설계한 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
다양한 실내 조도와 LED·형광등 등 광원 스펙트럼 조건에서의 발전 성능 및 장기 수명 검증
대면적 소자 제조 시 양자점 박막·2PACz 부동태화 공정의 균일성 및 재현성 확보
실제 IoT 센서 부하, 전력관리 회로 및 무선 센서 노드와 연계한 제품 수준 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
페로브스카이트 양자점 기반 실내 광전지 및 그 제조 방법
10-2023-0121003 (2023.09.12)
1027602330000 (2025.01.21)
심재원, 김선중
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단