정찬문 교수, 자기치유형 유연성 태양전지 디바이스 개발
액체 금속 마이크로캡슐을 활용해 전도성까지 회복시켜

첨단 진단 시스템을 위한 전자피부(E-skin)와 같은 유연하고 스트레처블한 전자 디바이스는 물리적 변형이나 스크래치 등에 의한 손상에 취약하다. 손상의 자기치유(self-healing) 기능을 이러한 전자 디바이스에 부여할 수 있다면 디바이스의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 현재까지 자기치유 기능을 가진 스트레처블한 회로 소재가 연구되어 왔지만 치유 과정에서 전도성이 감소하는 단점이 있었다.

정찬문 교수(원주캠퍼스 화학및의화학과)는 치유물질 담지 마이크로캡슐을 활용하여 위와 같은 단점을 개선한 자기치유형 유연성 태양전지 디바이스를 개발했다. 본 연구에서는 치유물질로서 액체 금속인 Ga-In-Sn-Zn 합금을 선정하고, 액체 금속 콜로이드를 우레아-포름알데히드 고분자막으로 둘러싼 코어-쉘 구조 마이크로캡슐(평균직경 = 5.5 ㎛)을 합성했다. 마이크로캡슐과 에폭시 고분자로 구성된 보호막을 구리(Cu) 필름 위에 형성시키고 보호막에서 구리 필름에 걸쳐 손상을 발생시킨 결과, 손상이 발생한 부위의 마이크로캡슐이 깨져 액체 금속이 흘러나와 손상 부위를 채움으로써 자기치유가 일어나 구리 필름의 전도성이 회복되었다.

이러한 자기치유 시스템을 유연성 페로브스카이트 태양전지 소자의 금(Au) 전극에 적용한 결과, 손상이 치유되어 전력변환효율이 손상 발생 전 수치의 99% 수준으로 유지되었다. 치유 후 500회까지의 반복 굽힘 시험에서도 디바이스의 전력변환효율이 안정하게 유지되었다.

정 교수는 “액체 금속 마이크로캡슐을 적용하여 자기치유형 전자 디바이스를 구현한 최초의 사례에 해당한다.”며, “이 시스템을 구조결함 내력, 회로 신뢰성, 수명이 향상된 지속가능한 전자 디바이스의 개발에 활용할 수 있다.”고 연구의 의의를 설명했다.

본 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 숙명여자대학교 박민우 교수 연구팀과의 공동연구에 의해 수행되었으며, 재료분야의 국제적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티어리얼스(Advanced Functional Materials)’ 표지논문(frontispiece)으로 지난 5월 30일 게재되었다.