일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.8.7

SID Display Week 2023
샤프, 디스플레이 기술로 색소 증감 태양전지 양산
높은 변환 효율 및 낮은 비용

샤프와 그 자회사로 디스플레이 관련 사업을 담당하고 있는 샤프 디스플레이 테크놀로지(SDTC)는 올 5월, 미국에서 열린 디스플레이 관련 기술 국제학회 ‘SID Display Week 2023(SID)’에서 최근 몇 년간을 통틀어 최다인 15건의 논문에 대한 구두 발표를 했다.

그 중에서 디스플레이가 아닌 ‘논 디스플레이’를 디스플레이의 제조기술로 양산하는 연구 개발에 대한 논문도 4건 있었다. 이 중 2건은 VR(가상현실) 고글 광학계 등에서 특수한 디스플레이 기능의 일부라고 할 수 있다.

또 다른 2건은 정말 디스플레이와는 전혀 관계가 없는 디바이스에 대한 논문이다. 1건은 ‘색소 증감 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell: DSSC)’에 대한 것이고, 다른 1건은 매우 참신한 ‘후각 센서’에 대한 것이다.

-- 실내 IoT 단말기에 전력 공급 --
DSSC는 최근 화제인 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지의 전신이라고 할 수 있는 태양전지로, 실내 등 낮은 조도의 환경에서 실리콘계 태양전지를 뛰어넘는 변환 효율을 나타낸다.

이 때문에 실내에서 이용되는 각종 센서 등 IoT(Internet of Things) 단말기 전원의 유력 후보 중 하나이다. 약 10여 년 전, 샤프는 DSSC 성능 향상 경쟁에서 최정상 클래스에 있었다.

하지만 당시, 좀처럼 양산에 성공하지 못하는 사이 페로브스카이트 태양전지의 등장으로 이슈에서 밀려났다. 양산이 늦어진 이유 중 하나는 양산 기술 확립이 의외로 어려웠고, 이것이 높은 제조 비용으로 이어졌기 때문이다.

DSSC는 반도체와 배터리의 중간적인 디바이스로, 반도체 제조기술 베이스의 패터닝으로 셀 간의 직렬 접속을 형성하는 기술과 산화티타늄(TiO₂) 층을 형성하고 그 위에 색소를 스며들게 한 후 전해액을 주입해 그것이 누출되지 않도록 밀봉하는 기술의 양립이 용이하지 않았던 것이다.

-- 액정패널과 DSSC 구조의 유사성에 주목 --
그럼에도 불구하고 DSSC를 포기하지 않은 샤프는 2010년대 중반, 액정 패널과 DSSC 구조의 유사성에 주목했다. 양 자 모두 전극을 형성한 유리를 표리(表裏)의 기판으로 이용한다.

DSSC의 산화티타늄 층을 컬러 필터로, 전해액을 색소나 액정으로 간주함으로써 ‘액정 패널의 제조 장치 및 프로세스를 통해 색소 증감 태양전지를 저비용으로 양산할 수 있다’라고 생각한 것이다. 샤프는 이 기술을 ‘Liquid and Crystal-Light Harvesting(LC-LH)’이라고 부른다.

실제로 2015년, 샤프는 이 LC-LH 기술을 바탕으로 다수의 DSSC 셀을 일체적으로 형성하는 모놀리식을 구현해 DSSC 모듈을 개발했다. 산업기술종합연구소가 측정한 결과, 모듈 변환 효율은 10.65%였다.

2019년에는 GPS 위성 대신 실내에서 위치정보를 발신하는 솔라비콘(Solar Beacon) '레스비(Lessbea)'로 제품화했다. “외부 위탁에 의한 소량 생산이지만, 현재도 공항의 내비게이션 서비스 등에 사용되고 있다”(샤프).

하지만 이 DSSC에는 제조 프로세스와 내구성 등에서 다소 오산이 있었다. 같은 셀의 투명 전극과 대극이 접촉하지 않도록 하는 절연층을 다공질 형태의 산화티타늄 층 상에 치밀하게 성막하는 것이 매우 어렵고, 성막 후 벗겨지기 쉽다는 점이었다. 절연층에도 전극으로부터 벗겨지기 쉽다는 과제도 있었다.

-- 액정패널 기술로 절연층 불필요’--
이번에 샤프는 이러한 과제를 역시 액정 패널의 제조기술로 해결하는 데 성공했다고 한다. 이것이 ‘공통 전이(Common Transfer)’기술이다.

공통 전이는 금속 미립자를 이용하여 세로형 배선을 형성하는 기술로, 액정이 삽입된 전극을 접속하는 데 이용되고 있다. 이것을 DSSC에 응용함으로써, 지금까지의 절연층이 불필요하게 되었다.

-- 변환효율도 대폭 향상 --
이를 통해 소자 구조가 보다 심플해지고 제조 용이성과 내구성이 향상되었으며, 변환효율도 크게 늘었다. 그 이유는 우선 셀 간의 틈새가 줄어 셀 유효 면적이 넓어졌다.또한, 밀봉에 이용되는 첨가재를 바꿔 발전의 손실이 되는 재결합 전류를 줄였다. 절연층 때문에 필요했던 내부의 광반사 층도 줄일 수 있었다.

더 나아가, 그때까지 탄소재료가 이용되던 대극에 도전성 유기 수지인 PEDOT를 이용할 수 있게 되어 대극과 전해액 간의 전기 저항치가 크게 저감되었다. 또한 색소와 전해액의 양도 줄일 수 있게 되었다.

이러한 결과, “발전 출력은 모놀리식(Monolithic) 구현의 DSSC의 경우, 500lux에서 약 10% 증가했다”(샤프)라고 한다. 출력의 차이는 빛의 조도가 증가할수록 높아져 발표한 그래프를 보면 1,000lux에서 약 20% 증가하고, 5,000lux에서는 약 2배 증가한 것을 알 수 있다.

이처럼 발전 출력이 빛의 세기에 크게 좌우되기 때문인지 샤프는 변환 효율에 대해 아직 공개하지 않았지만, SID에서는 ‘약 20%’라고 발표했다. 이것은 DSSC로는 놀라운 수치이다. 내구성에 대해서는 ‘4년은 유지될 것으로 전망’(논문)이라고 한다.

-- 실내 용도 뿐만 아니라 '야외에서도 사용할 수 있다' --
당초의 상정 용도는 샤프가 새로운 사업의 축으로 주력하고 있는 IGZO TFT 구동의 전자 페이퍼 등 저전력 디지털 사이니지(전자 간판)용 전원으로, 2022년 10월에 개최된 'CEATEC 2022'에서 선보였다. 올해 안에 중 양산할 계획이라고 한다(샤프).

하지만, 빛의 조도가 높을수록 발전 성능이 향상되기 때문에 샤프는 실내 용도뿐만 아니라 야외의 그늘이나 건물의 북쪽에서도 이용할 수 있을 가능성이 있다고 한다.

 -- 끝 --

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