▲ (왼쪽부터) 전기전자공학부 김태근 교수(교신저자), Kiran A. Nirmal 박사과정(제1저자), Wanqi Ren 박사과정(제1저자)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 전기전자공학부 김태근 교수 연구팀은 2차원 티타늄 카바이드(Ti3C2Tx) 맥신 (MXene) 기반의 다층 구조(Ti3C2Tx MXene/Ag/Ti3C2Tx MXene) 유연투명전극을 활용해 하나의 칩에 메모리와 학습 기능을 갖춘 유기태양전지 (MemOSC)를 개발하는데 성공했다.

* 맥신 (MXene) : 2차원 평면구조를 가지는 세라믹 물질로, 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합해 원자 두께의 층으로 구성되며, 전도성을 가지면서도 말단에 존재하는 수산화기나 산소로 인해 친수성을 가져 용액공정이 가능함

유기태양전지 (OSC)는 높은 전력변환효율과 함께 저비용, 초경량, 기계적 유연성, 대면적화의 장점으로 주목받고 있으며, 이러한 소자에 학습 능력을 탑재하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 한편, 면저항이 낮으면서 투명하고 기계적 안정성이 높은 전극개발은 태양전지를 포함한 모든 광전소자의 성능을 결정하는 핵심 요소이다. 인듐주석산화물(ITO) 기반의 전극은 고투과, 고전도 특성으로 인해 현재 상업적으로 사용되고 있지만 기계적 유연성이 낮고 높은 인듐 가격 등의 한계를 갖는다.

▲ 그림 = MXene 시트와 Zn 나노 입자의 혼합 모식도 (왼쪽) 및 개발된 Ti3C2Tx MXene/Ag/Ti3C2Tx MXene 기반 유연투명전극을 사용한 기억 학습 유기태양전지 (MemOSC)의 소자 구조와 Zn 도핑 전, 후 소자의 전류밀도-전압 결과 (오른쪽)

▲ 그림 = 기억 학습 유기태양전지 (MemOSC)의 전류-전압 스위칭 특성 (왼쪽) 및 모방된 비대칭 헤비안 학습 규칙 결과 (오른쪽)

연구팀은 스핀코팅과 스퍼터링에 의해 제작된 Ti3C2Tx MXene/Ag/Ti3C2Tx MXene 다층구조의 전극 표면에 Zn 나노 입자를 도핑함으로써, 쉽게 전극의 일함수를 제어하면서 9.7 Ω sq-1의 낮은 면저항, 84%의 높은 투과도 및 2,000회 밴딩 테스트에서도 안정적인 특성을 갖는 유연투명전극개발에 성공했다. 이렇게 개발된 전극을 탑재한 기억 학습 유기태양전지(MemOSC)는 13.86%의 전력변환효율을 보였으며, 수백 번의 스위칭 사이클 후에도 안정적인 태양광 성능을 유지했다. 동시에 0.60 및 −0.33 V의 낮은 구동 전압, 높은 on/off 비 (103), 안정적인 내구성 (4 x 103) 및 우수한 기억유지특성 (>104 s) 등 우수한 메모리 성능을 데모하였다.

* 스핀코팅 (spin coating) : 기판을 회전시킬 때 발생하는 원심력을 이용하여 기판에 임의의 액체를 코팅하는 방법으로써 균일한 박막 제작이 가능함 

* 스퍼터링 (sputtering) : 진공 통 안에 아르곤 (Ar) 등의 불활성 기체를 채우고 방전시켜 이온화된 가스를 가속하여 타겟에 충돌시킴으로써, 원자나 분자를 튀어나오게 하여 기판 위에 막을 형성하는 방법

* 유연투명전극 : 휘어지는 성질을 가지면서 높은 투과도과 전도도를 갖는 박막으로, 유연 태양전지와 디스플레이 등 광전소자의 성능을 결정하는 핵심소재

이번 연구 결과는 2차원 맥신 기반의 다층전극 구조가 유기태양전지의 유연투명전극으로 잘 동작하면서, 동시에 전기 판독이 가능한 비휘발성 메모리 기능을 수행할 수 있음을 보여준다. 또한, 에너지 수집 및 인공 시냅스 (기억 및 학습) 기능을 집적하여 미래 에너지 통합 소자 및 시스템 구현에 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원으로 수행됐으며, 논문은 세계적 권위 학술지 ‘Advanced Science[IF:17.521, 인용순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 5.94%]’에 현지 시간 5월 3일자로 게재됐다.     /공과대학신문

* 논문제목: Flexible Memristive Organic Solar Cell using Multilayer 2D Titanium Carbide MXene Electrodes 

* 저널명: Advanced Science (Adv. Sci. 2023, https://doi.org/10.1002/advs.202300433)