고분자 태양전지는 광전변환효율(PCE)이 20% 선에 이르고 있어 현재 상업화에 근접해 있다. 고분자 태양전지의 활성 물질은 주게(donor)와 받게(acceptor)로 구성되는데, 이 중 주게 물질은 그 종류는 매우 많으나 효율이 좋은 것이 지극히 제한적이다. 최근 고효율(PCE=19% 이상)로 주목받고 있는 주게 물질 중 하나가 ‘D18-Cl’과 ‘PTQ-10’인데, 이 물질은 합성 과정이 길고 매우 까다로워 태양전지 연구 활성화 및 상업화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

이러한 고분자 태양전지 상업화에 걸림돌이 되고 있는 주게 고분자(donor polymer)의 복잡합 합성법을 새로운 합성 과정으로 획기적으로 줄일 수 있는 연구 결과를 전북대 사범대 과학교육학부(화학교육전공) 학부생들이 찾아내 세계적 저널에 논문을 발표해 화제다.

화제의 주인공은 강준모·김신영 학생(사범대 과학교육학부 화학공학전공)이다. 같은 학과 정규관 교수의 지도를 받고 있는 이들은 학부생 신분으로는 이례적으로 지속가능한 에너지 및 화학 분야 저명 국제학술지인 『ChemSusChem 저널』(IF=8.4) Early View에 관련 논문 2편을 연이어 게재했다.

이번 연구 성과는 주게 고분자의 합성에 있어 기존 합성법과는 차별화된 방법으로 합성 단계를 크게 단축하고, 온화한 합성 조건과 높은 총괄수득율(overall yield)로 합성하는 새로운 방법이다. 기존의 주게 고분자 합성법이 복잡하고 낮은 가격 경쟁력으로 대량 생산에 어려움이 있다는 점에서 이번 연구 성과가 큰 주목을 받고 있다.

주게 물질 중 하나인 ‘D18-Cl’ 합성의 플랫폼이 되는 화합물인 DTBT(dithienobenzothiadiazole)인데, 이번 연구는 기존의 5~6단계로 합성되던 것을 2단계로 획기적으로 단축한 것, 그리고 골격을 형성하는 고리화 반응이 어떠한 촉매 조건 없이 단 10분 이내에 완결된다는 점이 중요한 발견이다. 또한 이 방법을 이용하면 D18-Cl 뿐만 아니라 이와 유사한 유도체들도 쉽게 합성될 수 있다는 점이 이 연구의 큰 확장성을 보여주고 있다.

이 연구 성과는 지속가능한 화학 저널 ChemSusChem (IF=8.4) Early View에 ‘Facile Synthesis of Dithienobenzothiadiazoles and D18-Cl Polymer via Na2S-Mediated Rapid Thiophene-Annulations for Organic Solar Cells’란 제목으로 게재됐다.

또 하나의 연구 성과는 역시 주게 물질 중 하나인 ‘PTQ-10’이라는 물질의 새로운 합성법을 찾은 것이다. 이 물질을 주게 물질로 사용한 태양전지의 효율 또한 19% 이상으로 발표되고 있다. 이 물질은 합성방법이 비교적 짧고 단순하지만 매우 고가라는 단점이 있고, 상업화를 위해 합성 경로 역시 효율화가 절실히 필요했다.

연구진은 기존의 bromination-condensation 합성 개념과 달리 condensation- bromination 정반대되는 합성의 가설을 설정하고 실험을 진행한 결과, 합성 단계가 단축되고 총괄 수득률과 가격경쟁력이 있는 새로운 합성 경로를 발견했따. 특히 새로 개발된 합성법은 단계별 생성물의 분리가 쉽고 합성 과정이 간결해 많은 양을 합성할 수 있다는 장점이 있다.

이 연구 결과 역시 『ChemSusChem 저널』(IF=8.4) Early View에 ‘Triflic Acid-Assisted Regioselective Bromination of Quinoxaline Derivatives Enables a Facile Synthesis of Polymer PTQ10’k는 제목으로 게재됐다.

이번 연구는 학부생이 모두 주저자로 참여한 것으로, 학부생들에게 주체적인 연구를 수행할 수 있도록 지원하는 것이 이공계 미래 동량을 조기 육성해 이공계 대학원생 부족 현상을 극복하는 대안으로 떠오르고 있다.

이들을 지도한 정규관 교수(교신저자)는 “이번 연구 성과를 통해 학부생도 연구의 중추적인 역할을 담당할 수 있다는 점이 확인됐다”며 “앞으로도 학부생들이 연구에 적극적으로 참여할 수 있도록 교육과 연구 지원을 강화해 이들이 국가 성장 동력을 이끌 수 있는 이공계 인재로 육성될 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.