- 부산대·재료연 공동연구팀, 자가조립 단분자막 ‘2PACz’ 기반 고성능 섬유형 광전자소자 개발

- 기존 PEDOT:PSS 한계 극복해 효율 20%·수명 2배 증가…차세대 웨어러블 광전소자 응용 기대

옷감처럼 유연하게 구부러지는 차세대 섬유형 전자소자의 핵심 과제인 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있는 해법을 국내 연구진이 내놨다. 자가조립 단분자막* 소재인 ‘2PACz’를 활용해 섬유형 광전자소자의 효율과 수명을 함께 높인 성과로, 웨어러블 전자기기와 스마트 섬유 상용화에 대한 기대감이 커지고 있다.

* 자기조립 단분자막(Self-Assembled Monolayer, SAMS): 고체 표면에 특정 분자들이 스스로 달라붙어 규칙적으로 배열되면서 형성되는 한 층 두께의 아주 얇은 막

부산대학교(총장 최재원)는 첨단융합학부 미래에너지전공 이형우 교수와 오진우 교수 연구팀이 한국재료연구원 송명관 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 자가조립 단분자막 기반 소재인 2PACz를 적용한 고효율 및 고안정성 섬유타입의 광전소자(Fiber type Optoelectronics)를 개발했다고 26일 밝혔다.

이번 연구는 섬유형 태양전지와 유기발광다이오드(OLED), 가스센서 등 다양한 소자에 공통으로 적용 가능한 계면 제어 기술을 제시한 것이다.

그동안 페로브스카이트 태양전지나 유기태양전지, OLED 같은 광전자소자에는 정공주입층(HIL) 소재로 PEDOT:PSS가 널리 사용돼 왔다. 정공주입층은 정공 주입을 촉진하고 양극 계면에서의 에너지 장벽을 낮추는 데 필수적이다. 하지만 PEDOT:PSS는 공정성이 우수한 대신 산성 특성과 수분 흡수 문제를 안고 있어, 장기간 사용할 경우 소자 열화와 성능 저하를 일으키는 한계가 지적돼 왔다. 특히 섬유형 소자는 휘어짐과 외부 환경 변화에 자주 노출되는 만큼 안정성이 중요하다.

연구팀은 이 같은 문제를 극복하기 위해 금속산화물 표면에 강하게 결합하는 초박막 구조의 2PACz를 도입했다. 2PACz는 표면의 계면 결함을 줄이고 전하 이동을 원활하게 해 소자의 전기적 특성을 개선하는 역할을 한다. 무엇보다 매우 얇은 층만으로도 효과를 낼 수 있어, 유연성과 경량성이 중요한 섬유형 소자에 적합하다.

실험 결과는 뚜렷했다. 2PACz를 적용한 섬유형 태양전지는 광전효율이 기존 5.67%에서 6.83%로 약 20% 향상됐다. 섬유형 그린 OLED 소자 역시 외부양자효율이 기존 대비 약 17% 향상된 10.71%를 기록하며 성능 개선 가능성을 입증했다. 여기에 수소 가스센서에서도 응답 특성이 향상돼 약 6초 수준의 반응 시간을 보였다. 소자 수명은 PEDOT:PSS를 사용했을 때보다 2배 이상 안정함을 보였다.

이번 성과는 하나의 소재 혁신이 태양전지, 발광소자, 센서에 이르기까지 여러 섬유형 전자소자에 동시에 응용될 수 있음을 보여준다.

이형우 부산대 교수는 “이번 연구는 구조가 간단한 자가조립 단분자막을 활용해 광전자소자의 효율과 수명을 동시에 향상시킨 데 의의가 있다”며 “웨어러블 전자기기와 스마트 섬유, 차세대 에너지 소자 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 이형우 교수와 오진우 교수, 한국재료연구원 송명관 박사가 공동 교신저자, 부산대 휴머노이드 후각 디스플레이센터 김재호 박사가 제1저자로 수행했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 글로벌선도연구센터 지원, 한국재료연구원 기본사업 지원을 받았다. 해당 연구 결과는 국제 저명학술지 『나노 컨버전스(Nano Convergence)』 온라인판 5월 8일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Interfacial Dipole-Engineered Fiber Optoelectronic Devices with Enhanced Efficiency and Stability(엔지니어링이 된 계면 쌍극자 광전자 소자의 효율성 및 안정성 향상) - 논문 링크: https://doi.org/10.1186/s40580-026-00549-x















참고자료 1. 연구 이미지 및 연구진 사진(파일 별첨)

그림 설명

그림. 2PACz를 이용한 고효율 및 고안정성의 광전소자

자가조립 단분자막(Self-Assembled Monolayer, SAM) 소재인 ‘2PACz’를 활용한 계면 제어기술을 발전시켜 섬유타입의 광전소자의 플랫폼 기술을 선보임. 카바졸 기반 구조와 인산기(phosphonic acid)를 갖는 2PACz 분자를 설계해 금속산화물 표면에 안정적으로 결합하도록 했으며, 이를 통해 전하 이동 효율을 크게 향상시킨 결과 전자소자의 성능 및 안정성을 크게 향상시켰음. 섬유형 태양전지에서는 광전효율을 대략 20% 및 OLED에서는 외부양자효율을 17% 향상시켰으며, 소자 안정성은 PEDOT:PSS를 사용했을 때보다 2배 이상 안정함을 보였음.