2조(perovSKY)

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : In-situ 열가교([VBIM]TFSI 이온성 액체) 기반 고안정성 FAPbI₃ 페로브스카이트 태양전지 개발

영문 : Development of Highly Stable Perovskite Solar Cells via In-situ Thermal Crosslinking using [VBIM]TFSI Ionic Liquid

과제 팀명

PerovSKY

지도교수

김민 교수님

개발기간

2026년 3월 ~ 2026년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2022340023 송*윤(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2020340002 김*겸

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ PSC의 상용화를 위해서는 85 °C 이상의 극한 환경에서의 장기 구동 안정성 확보가 필수적이나, 고온에서 발생하는 이온 마이그레이션(Ion migration)과 그에 따른 전계 역전(field reversal) 현상이 소자 붕괴의 치명적 한계로 작용한다.

◇ 이를 극복하기 위해, 비닐기를 갖는 중합성 이온성 액체(polymerizable ionic liquid, 이하 IL) 단분자 [VBIM]TFSI(1-butyl-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, MW 431.38g/mol, CAS 758716-72-2)를 광활성층 내부에 도입한다. 수계 음이온 교환법으로 할로겐 불순물을 배제·정제하여 초소수성·거대 이온 부피를 지닌 고순도 IL을 확보한다.

◇ 기존의 고비용·고데미지 자외선(UV) 광가교 공정을 배제하고, FAPbI₃의 필수 결정화 annealing 온도(약 150 °C)에 AIBN 라디칼 개시제의 열분해 반응을 동기화한 'In-situ Thermal Crosslinking (3D Lockdown)' 공정을 개발한다. 이로써 film내부에서 실시간으로 불용성 3차원 PIL 네트워크를 형성한다.

◇ TFSI 음이온의 S=O기는 노출된 Pb²⁺ 결함을 다중 배위로 passivation하고, CF₃기는 초소수성 수분 방어막을 형성하며, 비닐기는 AIBN 라디칼 가교 site로 작용한다. 최종적으로 이온 결함의 이동 경로를 물리·화학적으로 봉쇄하여 ISOS-D-2(85 °C 장기 노출) 조건에서 상용화 수준의 열 안정성과 고효율을 동시에 달성하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ Perovskite 단일접합 소자의 광전 변환 효율(PCE)은 NREL 인증 기준 약 27.3 %(2025)로 단결정 실리콘에 필적하며, perovskite-Si Tandem Cell은 34.85 %로 단일접합 이론한계(Shockley–Queisser)를 넘어섰다. 그러나 상용화·LCOE 보증의 전제인 국제규격 수준의 장기 안정성은 여전히 미해결 상태이다. 즉 시장 선점을 가르는 결정 변수는 추가 효율이 아니라 극한 열·습도 환경에서의 장기 안정성이며, 이것이 본 과제가 정조준하는 영역이다.

◇ PSC 열화의 핵심 메커니즘은 고온에서 I⁻ 이온이 결정립계를 따라 이동(ion migration)하여 계면에 축적되고, 이로 인해 전계 차폐·전계 역전과 SRH 비방사 재결합이 유발되어 소자가 비가역적으로 파괴되는 악순환이다. 따라서 이온의 이동 경로 자체를 봉쇄하는 것이 안정성 확보의 본질적 해법이다.

◇ 기존의 in-situ 가교 전략 중 UV 광가교 방식은 고에너지 자외선이 광활성층 격자를 파괴하고 계면 결함을 폭발적으로 증가시키며, 대형 UV 경화 챔버로 인해 설비 투자비(CAPEX)를 높이는 한계가 있었다. 본 과제는 열에너지만으로 활성층 손상 없이 견고한 불용성 3D 네트워크를 형성하는 무손상 공정을 지향한다.

◇ 기대 효과로는 (i) 이온 이동 봉쇄를 통한 소자 수명의 획기적 연장, (ii) degradation 및 passivation 메커니즘의 규명, (iii) UV 경화 설비가 불필요한 대면적 Roll-to-Roll 양산 공정의 경제성·범용성 확보를 들 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 최종 목표 — [VBIM]TFSI 단분자의 도입 및 in-situ 열가교를 통한 FAPbI₃ perovskite의 Ionic Lockdown 구현. AIBN 개시제를 활용하여 film내부에서 가교 네트워크(PIL)를 형성하고, 가혹 조건(85 °C) 열 스트레스 하의 구조적·전기적 특성과 광물리적 결함 억제 메커니즘을 검증한다.

◇ 세부 목표 및 내용은 다음 4단계로 구성된다. STEP 1. vinylimidazolium 단분자 및 이온성 액체 합성 — [VBIM]Br–LiTFSI 음이온 교환 반응의 수율을 높이기 위한 최적 조건을 모색하고, NMR·FT-IR 분석을 통해 합성 여부와 순도를 분석한다.

STEP 2. in-situ 가교 film형성 — spin coating 시 계면 결함을 최소화하는 조건을 모색하고, [VBIM][TFSI] 단분자와 라디칼 개시제 AIBN의 배합을 최적화하며, 가교를 유도하는 최적 온도·annealing 조건을 탐색한다.

STEP 3. 특성 분석 — 유리 기판 위에 코팅된 각 film에 대해 PL/UV-vis 측정으로 광학 특성을 분석하고, 형성된 film의 XRD 분석으로 극한 조건(열·습도)에서의 안정성을 평가한다.

STEP 4. 소자 제작 — n-i-p구조 소자를 제작하고 완성된 소자의 전기적 특성(J–V)을 측정한다.

◇ 아울러 IL/AIBN의 두 가지 도입 경로 — ① spin coating 중 antisolvent dripping 단계 투입, ② precursor 용액 직접 혼합 — 를 병행 비교하여 film·소자·습도·열 특성의 차이를 규명한다. 본 과제의 최종 산물은 동일 활성층에 대해 control과 target(IL/PIL 도입)을 비교한 film·소자 데이터 세트이다.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 효율은 도달, 안정성이 병목 — 단일접합 perovskite의 PCE는 NREL 인증 기준 약 27.3 %(2025)에 도달해 단결정 Si에 필적하고, perovskite-Si tandem cell은 34.85 %(LONGi 인증)로 단일접합 이론한계를 넘어섰다. 그러나 2026년 현재 단일접합 PSC 중 실리콘 모듈 표준인 IEC 61215 내구성 인증을 통과한 사례는 없으며, 대부분의 인증 셀이 1000시간 가속시험에서 20 % 이상 열화된다. 시장 선점과 상용화를 가르는 결정 변수는 추가 효율이 아니라 극한 열·습도 환경에서의 장기 안정성이다.

◇ 시장 동향 — perovskite 태양전지 시장은 현재 수억 달러 규모이나, 복수의 시장조사기관이 향후 5~10년간 연평균 20~50 %대의 고성장으로 수십억 달러 규모에 이를 것으로 전망한다. 아시아·태평양이 최대 점유 지역으로 한·중 중심의 양산 투자가 집중되며, 저비용·저온 용액공정과 탠덤·BIPV 등 신규 응용이 성장을 견인하나, 상용화의 핵심 제약은 여전히 안정성이다.

◇ 열화 메커니즘 — 고온에서 I⁻ 이온이 결정립계를 따라 이동하여 계면에 축적되면 전계 차폐·전계 역전과 SRH 비방사 재결합을 유발해 소자를 비가역적으로 파괴한다.

◇ IL/PIL passivation의 부상 — TFSI 음이온의 S=O기는 노출된 Pb²⁺ 결함과 다중 배위로 결함을 무력화하고, CF₃기는 초소수성 수분 방어막을 형성한다. imidazolium IL을 precursor에 첨가한 연구들(예: BzMIMBr, [Bcim][TFSI])은 PCE 23% 및 1000~1800h 90 %대 유지를 보고하며 IL passivation의 유효성을 입증하였다.

◇ in-situ 가교(crosslinking) 전략 — Liu K. 등(Small, 2023)과 Neogi 등(JPCL, 2024)의 리뷰는 in-situ 가교가 결정화 조절·이온 고정·수분 차단·응력 완화로 안정성을 강화함을 체계화하였다. vinylimidazolium PIL을 AIBN으로 중합한 사례로 Geffroy(Bordeaux, 2018; PVBI-TFSI, PCE 20.35 %)와 Huang 등(CCS Chem., 2023; 실록산 PIL, 85 °C·250 h 후 PCE 87 % 유지)이 대표적이며, 최근 Rajić·Ramadani 등(2024~2026)은 TFSI 기반 PIL을 FAPbI₃ film에 적용해 결정성·광학특성·환경안정성 향상을 보고하였다.

◇ 본 과제의 위치 — 본 연구는 위 흐름과 정합하며, FT-IR로 가교 성립을 확인한 뒤 (i) PIL film의 결함 passivation과 (ii) 습도 안정성을 자체 데이터로 입증하였다. 다만 선행 PIL 사례(예: Huang, 85 °C·250 h 후 87 % 유지)와 달리 현재 본 과제의 고온 열 안정성은 control보다 악화되어 있는데, 이는 '어떤 농도·순도 경계에서 PIL이 열 안정성에 역효과를 내는가'라는 임계 조건을 규명한 결과로서 후속 설계의 직접적 근거가 된다.

특허조사

◇ [VBIM]TFSI 단분자를 단분자로, AIBN을 개시제로 하여 FAPbI₃에 in-situ 열가교하는 조합에서, 특히 antisolvent 투입과 precursor 직접 혼합을 비교하여 명시적으로 청구한 특허는 현 시점(2026.6) 문헌·특허 검색에서 확인되지 않았다. 인접 특허의 비교는 아래 표와 같다.

Table 1. perovskite 내 IL 첨가 방법론 적용 특허조사

주요 인접 특허의 개요와 한계는 다음과 같다.

① US 2025/0287825 A1 (Nanjing Tech University) — 포름아미딘(Formamidine) 기반 IL로 perovskite precursor 용액을 합성·소자화하는 공정으로 IL을 액상 '단순 첨가제' 및 precursor 용매로만 활용한다. 따라서 annealing 후에도 IL이 단분자 상태로 잔류하여 고온에서 이온 이동·상분리를 일으키는 물리적 한계를 내재한다.

② US 12,057,273 B2 (Soochow University) — gradient annealing과 antisolvent 공정을 병용한 무기 perovskite전지 제조법으로 antisolvent 공정 특성상 공정 마진(process window)이 좁아 대면적 양산 시 단가 상승·재현성 저하를 유발하며, 결함을 영구 방어할 소재적 보호막이 부재하다.

③ US 9,895,714 B2 (Cornell University) — 비휘발성 IL을 주 용매로 사용해 거대 결정립을 형성한다. 다만 IL은 '임시 용매'에 그쳐 열처리 후 세척으로 전량 제거되므로, 최종 소자 내부에 IL이 존재하지 않아 수분·결함을 방어할 수 없다.

④ US 12,359,122 B2 (CubicPV) — IL을 단순 첨가제로 precursor에 혼합해 열처리 후에도 단분자 상태로 잔류하여 이온 이동·상분리의 물리적 불안정성을 내재한다.

• 본 연구의 기술적 차별성 (In-situ PIL Network Retention)

본 연구는 IL을 단순 첨가제로 사용하거나 복잡한 antisolvent 공정에 의존하는 선행 기술의 한계를 극복하고, IL을 film내부에 영구적인 방어벽으로 남기는 '고분자화 잔류(Polymerization & Retention)' 전략을 채택한다.

• 독자적 기술 경쟁력 및 기대 효과 (Competitive Advantage)

◇ 이온 이동 원천 차단(Chemical Locking) — 비닐기(-CH=CH₂)를 포함한 [VBIM]TFSI를 AIBN 개시제로 film 내에서 직접 3차원 고분자(PIL)로 엮어, IL 고유의 결함 치유 능력은 유지하면서 고분자 뼈대에 이온을 물리·화학적으로 묶어버림으로써 선행 기술의 최대 난제인 이온 이동성을 제어한다.

◇ 원천 특허 회피 및 신규 IP 창출(Freedom to Operate) — Nanjing Tech 등의 선행 특허는 precursor에 IL을 혼합하는 조성물을 광범위하게 청구하나, '개시제를 투입하여 film 내에서 실시간(in-situ) 가교시키는 공정'에 대한 권리는 청구하지 못했다. 본 연구의 In-situ PIL화 공정은 기존 특허망을 회피하는 동시에 독자적 원천 특허 출원이 가능한 핵심 기술이다.

◇ 후공정 생략을 통한 양산성(Scalability) — antisolvent 제어 공정과 달리, 본 연구의 in-situ 가교는 추가 세척이나 까다로운 antisolvent 처리가 불필요한 원스텝(one-step) 공정으로 산업적 효용 가치가 높다.

◇ 입체 장애 극복을 통한 최적화(향후 플랜) — 초기 실험에서 확인된 TFSI 음이온의 입체 장애(steric hindrance) 현상은 라디칼 중합이 정교한 분자 구조 설계에 의존함을 보여준다. 입체 장애가 적은 IL(예: halogen계)로 치환하여 100 % 가교에 성공할 경우, 효율과 안정성을 동시에 잡는 이상적 계면 제어 소재로 활용 가능하다.

• 핵심 공백 (Research / IP Gap)

① [VBIM]TFSI 단독 단분자 + AIBN 조합, ② antisolvent 방식 대 precursor 직접 혼합 두 경로의 비교, ③ FAPbI₃ 시스템에 대한 명시적 청구는 부재하다. 본 과제가 생성한 두 경로 비교 데이터(필름·소자·습도·열)는 이 공백을 직접 겨냥한다.

• 특허 동향과 국내 위상

Perovskite는 상용화 초기 단계임에도 특허 포트폴리오 경쟁은 이미 성숙 국면에 진입했다. 한국특허청(KIPO) 분석에 따르면 2010년대 중반 국내 출원이 폭증(2013년 15건 → 2015년 45건 이상)하며 한국이 주요 출원국 가운데 하나로 부상하였고, 최근 출원은 '결정·계면 결함 passivation, 인터페이스/IL 설계, 이온 마이그레이션 억제·캡슐화'에 집중되어 본 과제의 차별화 한정자(가교성 IL 단분자의 불용성 3D 네트워크)가 경쟁이 가장 치열한 핵심 테마를 직접 겨냥함을 시사한다.

특허전략

◇ 신규성 확보 영역 — 청구의 신규성은 (i) 가교성 vinylimidazolium 단분자의 in-situ 열가교 네트워크(단순 IL 첨가가 아닌 불용성 3D PIL 형성), (ii) 두 도입 경로(antisolvent/precursor)에 따른 film·소자 특성의 차이, (iii) 습도-열 이중 방어에 둔다.

◇ 회피설계(Design-around) — 선행 특허(US20240224789A1의 TFSI계 이온화합물, US20250287825A1의 FA계 IL)는 비가교성 IL 첨가에 가깝다. 본 과제는 비닐기 라디칼 중합에 의한 covalent 3D network 형성과 AIBN 열분해 동기화 공정을 한정자(limitation)로 삼아 차별화한다.

◇ 확보 우선순위 — 현재 강점인 습도 안정성·필름 passivation은 데이터 신뢰도가 높아 우선 확보 가능한 청구 포인트이다. 반면 열 안정성 청구는 데이터가 현재 control보다 악화된 상태이므로, 청구에 앞서 (a) 재합성 IL의 순도 검증(¹H/¹³C-NMR), (b) IL/AIBN 농도 1/2~1/10 하향 최적화, (c) precursor 혼합 film의 PL·UV 재현성 확보가 선행되어야 한다.

◇ 증거 기반 강화 — 유리기판 가교 검증(drop·spin 비교)에서 drop 방식 PIL 시료의 C=C(~1550 cm⁻¹) peak 소실로 in-situ 열가교 성립과 drop의 우수성을 확인하였다(FT-IR). 이는 청구항 핵심 한정자인 '라디칼 중합에 의한 3D 가교 네트워크 형성'의 실시가능성(enablement)과 최적 공정 조건을 직접 뒷받침한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ UV-free 열가교 공정 집적 — 필수 결정화 annealing(약 150 °C)을 AIBN 열분해 스위치로 활용해 별도 UV 경화 단계 없이 3D PIL 네트워크를 형성하여, 활성층 광분해 데미지 없이 공정 스텝을 단축한다.

◇ 입증된 습도 방어 — XRD 습도 시험(80 % 노출)에서 control이 PbI₂ 생성으로 열화되는 동안 IL·PIL film은 (100) α-phase를 유지하였다. 이는 TFSI의 CF₃ 기반 초소수성 방어막의 유효성을 보여주며, 봉지(encapsulation) 부담 완화와 대기 공정(air-processing) 내성 향상으로 이어질 수 있다.

◇ 열 안정성 — 현 상태와 개선 경로 — 열 안정성은 소자 상태에서 현재 control보다 악화되어 본 과제의 최우선 과제이다. 원인 후보는 고농도 PIL이 형성한 절연/응력 네트워크(일부 조건 FF 저하)와 합성 IL 불순물(NMR)로 진단된다. 광학 데이터도 농도 의존성을 뒷받침하는데, 0.5 % PIL은 압축응력으로 Eg가 증가(벌크 안정화)한 반면 1 %에서는 과다 도포로 Eg가 감소(응력완화)하여 0.5 %가 최적임을 시사한다. 즉 passivation과 열화 거동을 가르는 변수가 PIL 농도와 IL 순도임을 특정하여, 농도 하향과 고순도 재합성 IL 적용이라는 구체적 후속 실험으로 직결되는 설계 경계를 좁혔다는 점에서 의미가 있다.

◇ 탠덤·극한환경 확장성 — 3D lockdown은 광대역갭 상부셀의 halide segregation 억제에 유효할 수 있어 perovskite-Si Tandem Cell의 열화 문제 및 우주·방사선 환경 디바이스로의 확장 가능성을 가진다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ CAPEX 절감 및 양산 정합성 — 대형 UV 경화 챔버·추가 스텝이 불필요한 in-situ 열가교는 Roll-to-Roll 등 대면적 연속공정과 정합적이어서 설비 투자비를 절감하고 공정 경제성을 높인다.

◇ LCOE 저감과 장기 수명 보증 기여 — 습도 방어 입증과 (향후 확보될) 열 안정성 개선이 결합되면 소자 수명이 연장되고, 균등화 발전비용(LCOE) 저감으로 이어져 태양광의 가격 경쟁력을 강화한다.

◇ 탄소중립·ESG 가치 — 저비용·고안정 PSC의 상용화 가속은 재생에너지 보급 확대와 글로벌 탄소중립·ESG 목표 달성에 기여하며, 차세대 디스플레이·광전자 소자로의 기술 파급도 기대된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 송지윤 (최종 DATA분석 및 공정 최적화 리드): DOE 기반 공정 변수(농도, 시간, 타이밍) 설정 및 Spin-coating & Annealing 실험 총괄, 메커니즘 분석(PL, XRD) 주도 및 최종 J-V 데이터 해석

◇ 김도겸 (재료 합성 및 기기 분석 리드): [VBIM]TFSI의 스케일 다운 합성 및 고순도 정제 총괄, 공정 최적화 실험, FT-IR, XRD 등의 분석 및 초기 데이터 병렬 측정 수행

설계

목표 달성을 위한 설계(실험) 방법

본 연구의 핵심 목표는 [VBIM]TFSI 단분자의 in-situ 열가교를 통해 FAPbI₃ perovskite의 이온 이동을 봉쇄하고, 그에 따른 광학·구조·전기적 특성 변화를 규명하는 것이다. 이를 위해 (1) IL 단분자 합성, (2) in-situ 가교 film형성, (3) film특성 분석, (4) 소자 제작, (5) 가속 안정성 평가의 순서로 실험을 설계하였다. 특히 IL/AIBN의 도입 경로를 antisolvent 방식과 precursor 직접 혼합 방식으로 이원화하고, control(무첨가)과 target(IL/PIL 도입)을 동일 조건에서 비교하여 첨가제 효과를 분리·해석하였다.

[VBIM]TFSI 이온성 액체 단분자 합성 (음이온 교환)

• 원리

[VBIM]Br(M.W. 231.14 g/mol, 1-butyl-3-vinylimidazolium bromide)과LiTFSI(M.W. 237.08 g/mol, Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)를 각각 물에 용해한 뒤 혼합하면, 소수성이 큰 TFSI⁻가 친수성 Br⁻을 치환하여 [VBIM]TFSI가 형성되는 음이온 교환 (anion exchange)이 발생한다. 그 후 생성물은 물에 대한 용해도가 낮아 즉시 하층 오일층으로 분리된다. 설계 의도상 TFSI⁻의 S=O기는 Pb²⁺ 결함을 passivation하고, CF₃기는 초소수성 수분 방어막을 형성한다. 또한 양이온의 vinyl기는 AIBN radical을 개시하는 가교 site로, butyl기는 입체 장애를 통한 물리적 lockdown을 담당한다.

설계 사양

내용

개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용