유기 전자소자 내 방열 효과의 중요성 및 신규 냉각 시스템의 모식도
한국연구재단은 포스텍 박태호 교수 연구팀이 소자 내부의 열을 효과적으로 방출할 수 있는 산화알루미늄·전도성 고분자 복합소재를 이용한 냉각시스템을 개발했다고 밝혔다.
현재 유기 전자소자들은 엄청난 성능발전을 이뤘지만 상용화에 필수적인 장기 안정성에 관한 연구는 미비한 실정이다. 특히, 전자소자 구동 중 발생하는 발열 문제는 가장 큰 걸림돌로 작용한다. 하지만 유기물 소재는 낮은 열전도를 가지는 물리적 한계 때문에 소자 내부의 열을 효과적으로 방출할 수 없고 축적된 열로 인해 소재가 쉽게 변형돼 성능저하가 발생하며 소자의 수명이 단축된다.
따라서 유기 전자소자의 상용화를 앞당기기 위해 낮은 구동 안정성을 근본적으로 해결할 필요가 있으며, 소자 내부의 열을 효과적으로 방출하는 시스템을 통해 이를 위한 발판을 마련할 수 있다.
연구팀은 유기물 소재의 한계를 극복하고자 효과적인 방열 특성 부여를 위해 상대적으로 높은 열전도도를 가지는 산화알루미늄 나노입자를 유기 소재에 도입해 복합소재를 제작했다. 복합소재의 향상된 열전도도 및 방열 특성은 열화상 카메라와 시간영역열반사법을 통해 확인했다.
가열/냉각 실험의 설계 및 분석을 통해 복합소재와 기존 유기물 소재의 방열 효과에 대한 비교실험을 진행했다. 초기에 샘플을 85℃로 가열하고 냉각 시 주위 온도를 20~50℃ 범위로 제어해 다양한 온도 기울기에 따른 각 소재의 온도변화를 비교함으로써 복합소재의 빠른 냉각 속도를 확인했다.
특히, 절연체인 산화알루미늄 나노입자를 사용할지라도 구조체의 두께 및 밀도 제어를 통해 유기 소재의 전하이동도를 확보할 수 있음을 실험을 통해 입증했고, 복합소재의 최적화를 진행하여 방열 특성은 극대화하면서 전기적 특성의 저하는 최소화했다.
실제 소자에서 방열 효과를 확인하기 위해 개발된 소재를 페로브스카이트 태양전지에 적용했다. 구동 중 페로브스카이트 층은 가장 빠르게 온도가 상승하며, 해당 층은 고온에 취약하므로 방열 차이에 기인한 성능 비교가 가능하다. 복합소재를 도입할 경우 고온에서 페로브스카이트의 분해가 현저하게 줄어들었으며 소자의 수명이 3배 이상 향상됐다.
한편 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 이외 유기발광다이오드나 유기트랜지스터 같은 차세대 전자소자에도 접목할 수 있도록 후속연구를 지속할 계획이다.
신규 복합소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지의 성능변화 곡선
★연구이야기★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은?
A. 유기 전자소자의 낮은 안정성이 상용화의 가장 큰 걸림돌이라고 생각했으며 이를 해결하는 연구에 집중했다. 또한 다양한 유기 전자소자에 적용할 수 있는 새로운 시스템을 개발하고자 했고, 구동 중에 높아지는 소자의 온도에 초점을 맞춰 연구를 진행했다.
Q. 이번 성과, 무엇이 다른가?
A. 본 연구에서 개발된 냉각 시스템은 소자의 구동 안정성을 감소시키는 근본적인 문제를 해결할 수 있으며, 최초로 유기 전자소자 개발에 있어 방열의 중요성을 제시하고 있는 것에 의의가 있다. 특히, 방열 효과를 극대화한 신규 복합소재를 페로브스카이트 태양전지에 도입함으로써 소자의 안정성을 획기적으로 증가시킬 수 있었다.
Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
A. 본 연구에서는 개발된 복합소재를 기반으로 유기 전자소자의 짧은 동작 수명이 소자 내부에 축적되는 열과 관련 있음을 밝혔고, 이러한 열을 방출함으로써 우수한 안정성의 페로브스카이트 태양전지를 최초로 시연했다. 비록 방열 효과를 태양전지에서 관찰했지만, 해당 결과는 모든 유기 전자소자에 적용이 가능한 핵심 기술을 보고하고 있기 때문에 열 안정성이 요구되는 분야에 다양하게 적용할 수 있다.
