화학첨가물 대신 박테리오파지로 광흡수층 결함 보정

경제적으로 대량생산 가능.. 생분해성 가져 친환경적

김형도 일본 교토대학교 고분자화학과 교수, 오진우 부산대학교 나노에너지공학과 교수, 전일 성균관대학교 나노공학과 성균나노과학기술원 (SAINT) 교수

화학첨가물이 아닌 바이러스로 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 높일 수 있다는 연구 결과가 나와 주목받고 있다.

유기합성이 필요한 고분자 첨가물이 아닌 바이러스나 박테리오파지는 ‘배양’이라는 생물학적 방식으로 일정 크기의 입자를 대량으로 얻을 수 있어 상대적으로 경제적이라는 것이 이점이다.

한국연구재단은“전일(성균관대학교), 오진우(부산대학교) 교수 연구팀과 김형도 교수(교토대학교) 연구팀이 바이러스를 첨가해 페로브스카이트 결정의 질을 높이고 페로브스카이트 태양전지 소자가 태양광을 전기에너지로 전환하는 광전효율을 높였다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 개인기초연구(신진연구)사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 9월 2일 게재(온라인)되었다.

M13 박테리오파지의 구조와 페로브스카이트 태양전지에의 적용원리

‘화학물질’ 대신 ‘바이오물질’시대 온다

생분해성을 지닌 동시에 배양을 통한 대량생산이 가능한 ‘바이오 물질’이 기존의 화학물질을 대체할 수 있는 차세대 친환경 재료로 주목받고 있다.

차세대 태양전지 가운데 하나로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 광전효율 상승을 위해 고분자 등의 화학첨가물이 필요하다. 페로브스카이트 결정성장 및 표면 패시베이션에 사용되는 기존 첨가물들은 일정하지 않은 길이와 합성 시 환경오염의 주범인 용매를 사용한다는 문제 등을 가지고 있다.

연구팀은 기존 화학물질을 바이오 물질로 대체한 보다 친환경적이고 가격 경쟁력을 높인 박막 태양전지를 제작할 수 있다면 바이오트로닉스 시대의 시작점이 될 수 있다는 점에 착안했다.

이에 연구팀은 기존 화학첨가물 대신 배양을 통해 대량으로 얻을 수 있는 박테리오파지를 첨가물로 사용하였다. 너무 긴 고분자나 너무 짧은 단분자 대신 그레인(grain)에 딱 맞는 크기인 M13 박테리오파지(폭 6.6nm, 길이 880nm)를 사용한 것이다.

페로브스카이트 주물질인 납과 13개 아미노산의 상호작용 계산

연구팀은 “이를 통해 박테리오파지 표면의 아미노산들이 페로브스카이트 표면의 납 이온과 결합해 페로브스카이트 결정성장을 촉진시키고 표면결함을 보정할 수 있음을 확인하였다”며 “균일하면서 큰 페로브스카이트 결정의 형성을 유도, 광안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 박막을 구현해 낼 수 있었다”고 설명했다.

만들어진 페로브스카이트 태양전지는 22.3%의 광전효율을 기록하였는데 이는 M13 박테리오파지가 없는 기존 소자의 20.9% 대비 향상된 것이다.

이는 지난해 연구팀이 M13 박테리오파지를 페로브스카이트 태양전지에 적용하는 접근을 최초로 보고하였을 당시 광전효율 20.1%에서 더욱 향상된 결과이다. 유전자 조작을 통해 박테리오파지 표면에 페로브스카이트와 결합이 가장 잘되는 아미노산인 라이신(Lysine)을 증폭시켜 페로브스카이트와의 결합력을 더욱 향상시킨 결과라는 설명이다.

유전자 조작을 통한 기능화 박테리오파지의 표면 변화의 개략도

“이번 연구, 융합 연구 및 바이오트로닉스 시대의 시발점 될 것”

이번 연구에서 주목할 부분은 페로브스카이트 필름의 품질을 좌우하는 입자의 크기 제어 및 페시베이션 효과 향상을 기존 화학첨가물이 아닌 친환경적인 바이오 물질로 해결함으로써 페로브스카이트 소자의 광전효율 극대화뿐만 아니라 화학물질로 인한 환경적인 문제도 개선할 수 있다는 점이다.

연구팀은 “M13 박테리오파지는 유전물질을 가지고 있는 생체재료로서 대량 배양하더라도 항상 동일하게 얻을 수 있으며, 연구목적에 맞게 유전자 조작을 통해 추가적인 기능을 부가할 수 있다. 이에 새로운 기능 즉, 페로브스카이트와의 상호작용을 강화한 M13 박테리오파지 제작 및 확보를 쉽게 할 수 있다”고 설명했다.

이어 “기존의 물질군에서 벗어나 M13 박테리오파지와 같은 새로운 소재를 적용함으로써 해당 연구의 물질 확장 가능성을 보여주었고, 이를 통한 융합 연구 및 바이오트로닉스 시대의 시발점이 될 것이라고 전망한다”고 기대감을 밝혔다.

<용어 설명>

※페로브스카이트 태양전지 : 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조(구성 원자에 따라 부도체, 반도체, 도체 등 다양한 특성을 보이는 산화물)를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지

※패시베이션(passivation) : 소재의 결함을 보정하기 위한 물리적, 화학적 방법으로 페로브스카이트 결정 표면의 결함을 보정하기 위해 주로 고분자 중합체, 단분자, 탄소나노튜브 등이 사용된다.

M13 박테리오파지를 적용한 페로브스카이트 필름 표면 형상

<연구팀에게 묻는다 – 미니인터뷰>

Q. 연구를 시작한 계기나 배경에 대해 알려달라.

A. 자원고갈 및 환경오염으로 다량의 화학 용매를 사용하는 고가의 유기합성을 대체할 수 있는 바이오 물질이 큰 관심을 받고 있다. 동시에 친환경 대체에너지의 일환으로 태양전지 소자가 각광받고 있다. 친환경 소재와 친환경 소자를 융합하여 다가올 바이오트로닉스 시대의 시작점을 알리고 싶었다.

Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

A. 단순히 M13 박테리오파지를 첨가하는 것만으로도 소자효율을 높일 수 있었지만, 20가지 아미노산 가운데 어떤 아미노산을 박테리오파지 표면에 발현시켜야 최고효율을 낼 수 있을지 막막했다.

각각 아미노산을 모두 발현시켜 확인하는 것은 비효율적이었다. 이에 아미노산과 페로브스카이트의 주성분인 납(Pb)과의 상호작용을 ATR-FTIR 과 DFT 계산 시뮬레이션을 통해 먼저 선별하여 최적의 아미노산을 도출하고자 하였다.

해당 과정을 통해 3가지 아미노산으로 후보군을 좁히고 M13 박테리오파지의 염기서열을 조작하였다. 이로써 기능화된 바이오 소재를 제작하였고 이들을 페로브스카이트 용액에 적용하여 결정성장촉진과 패시베이션 능력을 극대화시킴으로 효율을 크게 높일 수 있었다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가?

A. 유전자적으로 성능이 향상된 바이러스를 페로브스카이트 태양전지에 적용한 바이오물질과 전자소자의 융합이라는 점에서 과학적으로 큰 의미가 있다. 또한 바이오 물질을 적용시킨 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율이자 최초로 공인 인증받은 보고라는 점에서 큰 의미가 있다. 나아가 소자 시스템 상에서 기존 화학첨가물을 바이오 물질로 충분히 대체할 수 있음을 보여준다.

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

A. 사용된 M13 박테리오파지는 생체친화적이며 대량 생산이 가능한 나노 스케일의 바이오 소재다. 그리고 화학적 합성이 아닌 생물학적 배양으로 증식하기 때문에 항상 일정한 크기로 소재를 얻을 수 있으며, M13 박테리오파지의 유전물질인 단일 가닥 DNA 조작을 통해 연구목적에 맞는 기능성 소재확보에도 유리하다.

이번 연구를 통해 M13 박테리오파지는 페로브스카이트 결정성장을 위한 템플레이트 역할과 함께 패시베이터 역할을 하는 것을 증명하였다. 이는 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 포토디텍터, LED 등 다양한 기기 및 광전소자에 적용할 수 있음을 시사한다.

특히 실용화를 위해서는 생물학적 대량배양 시스템이 기본적으로 구축되어야 한다. 그리고 해당 소재는 적용하고자 하는 분야에 맞춰 적합한 기능을 부여해야 하므로 관련 추가연구가 필요하다.