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이정용 교수, 〈와인의 눈물〉 현상 이용한 유기 태양전지 생산 기술 개발
〈 이 정 용 교수 〉
우리 대학 EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 ‘와인의 눈물’로 잘 알려진 마랑고니 효과를 이용해 물 표면에서 유기 태양전지를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
노종현, 정선주 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
유기 태양전지는 매우 가볍고 반투명하며 쉽게 휘어지는 성질 때문에 차세대 웨어러블 전자소자의 에너지원으로 주목받고 있다.
최근 성능이 향상되며 다양한 상업적 응용 가능성이 높아지고 있지만 대면적에서 높은 성능을 유지하는 공정에는 한계가 있어 상용화가 지연되고 있다.
연구팀은 자발적 순간 확산 현상, 즉 ‘마랑고니 효과’라고 불리는 일상에서 쉽게 접할 수 있는 과학적 원리를 적용해 빠른 시간에 대면적의 고품질 유기 박막을 형성하는 데 성공했다.
마랑고니 효과는 표면장력이 다른 두 용액이 접할 때 이 표면장력 차이를 해소하기 위해 일어나는 빠른 물질 수송 현상을 뜻한다.
잔에 담긴 와인을 빙글빙글 돌리면 잔 표면에 물방울이 형성돼 흘러내리는 현상이나 후춧가루가 뿌려진 물 표면에 세제를 한 방울 떨어트리면 후춧가루들이 순식간에 가장자리로 쓸려가는 현상 등이 이에 해당된다.
이 기술은 유기 물질이 녹아 들어간 용액을 물에 떨어트리는 순간 물 표면을 따라 빠르게 용액이 퍼지고 얇은 박막을 형성한다. 그 후 용액 속 용매는 공기 중과 물속으로 사라지고 대신 그 자리에 매우 얇고 균일한 유기 박막이 형성되는 원리이다.
이 기술은 여러 장점을 갖는다. 우선 종이와 곡면 유리같이 균일하게 유기 박막을 형성하기 어려운 곳에도 균일하게 박막을 전사하는 것이 가능하다.
또한 수 초 이내의 짧은 시간에 박막이 형성되기 때문에 유기 박막 손상의 원인인 산소 흡착을 최소한으로 막아줄 수 있다. 산소가 존재하는 대기 중에서도 높은 품질의 박막을 형성할 수 있는 것이 자발적 순간 확산 공정의 가장 큰 장점이다.
연구팀은 이 기술로 대기 중에서 유기 태양전지를 제작했는데 산소 및 수분으로 인한 악조건을 극복하고 고효율의 전지를 확보했다. 이는 산소와 수분이 제한된 환경에서 제작한 태양전지와 비슷한 효율을 갖는다.
산소와 수분 조건을 극복했다는 점은 대량 생산의 핵심 기술인 롤투롤(Roll 2 Roll) 공정에 적용가능하다는 것을 뜻한다.
롤투롤 공정은 롤러를 이용해 알루미늄 호일같은 유연 기판에 연속적 생산을 가능하게 하는 기술로, 저렴하고 대량 생산이 가능해 유기 태양전지를 상용화하기 위한 필수 기술이다.
그러나 기존 롤투롤 공정에 많이 쓰이던 슬롯다이(slot-die) 코팅 기술은 공기 중의 공정에서 용매 건조 시간이 길어 산소와 수분에 취약하다는 단점이 있었다.
이 교수 연구팀은 1미터 길이의 단일 유기 박막을 형성한 후 롤투롤 시스템을 이용해 유연 기판에 옮기는 데 성공했다. 자발적 순간 확산 공정을 통해 대량 생산이 가능하고, 수분과 산소에 취약한 유기소자 제작 공정의 시간과 복잡도를 낮출 수 있음을 증명했다.
이 교수는 “초고속으로 대면적의 유기 박막을 형성할 수 있는 유기 태양전지 상용화를 위한 완전히 새로운 공정이다”며 “저렴한 가격에 고효율의 유기 태양전지를 공급해 상용화를 앞당길 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 개발한 기술의 매커니즘을 3D 이미지로 묘사한 개념도
그림2. 개념도 및 제작된 유기 태양전지 성능 그래프
2016.08.23 조회수 14719 -
80년 과학기술계 숙원 풀렸다
- KAIST 이정용 교수 연구팀, 세계 최초로 액체를 원자단위로 분석하는 원천기술 개발에 성공 -
- 사이언스(Science)지 4월호에 실려 -
지난 80년 간 과학계의 오랜 숙원으로 꼽히던 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술이 세계 최초로 국내 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST(총장 서남표)는 신소재공학과 이정용 교수 연구팀이 그래핀을 이용해 액체 내에서 성장하는 결정을 원자단위로 분석하는 원천기술을 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 4월호(6일자)에 실렸다.
이번에 개발된 기술은 액체가 고체로 결정화되는 메카니즘을 확인할 수 있어 ▲나노 크기의 재료 제조 ▲전지 내에서 전해질과 전극 사이의 반응 ▲액체 내에서의 각종 촉매 반응 ▲혈액 속 바이러스 분석 ▲몸속 결석의 형성과정 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 냉동인간의 해동과정에서 얼음이 재결정화면서 세포가 파괴되는데 이때 진행되는 현상을 분석해 결빙현상을 막아주는 해동기술에 적용하면 앞으로 냉동인간의 부활에도 도움이 될 것으로 예상된다.
투과전자현미경은 0.004nm(나노미터) 정도로 아주 짧은 파장의 전자빔을 이용하기 때문에 가시광선을 이용하는 광학현미경 보다 약 1000배 높은 분해능을 갖고 있다.
따라서 계면의 결정구조와 격자결함 등 원자단위까지 분석이 가능해 최근 다양한 종류의 차세대 신소재 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있다.
그러나 투과전자현미경은 10-2~10-4기압(atm)의 고진공상태에서 사용하기 때문에 액체는 고정이 되지 않고 즉시 공중으로 분해돼 관찰할 수 없었다. 게다가 투과전자현미경의 원리상 전자빔이 수백 나노미터(nm) 이하의 시편을 투과해야 되는데 액체를 그만큼 얇게 만드는 것은 매우 어려웠다.
그러나 이 교수 연구팀은 꿈의 신소재인 그래핀을 이용, 수백 나노미터 두께로 액체를 가두는 데 성공해 이러한 문제들을 해결했다.
탄소원자들이 육각 벌집모양의 한 층으로 이루어진 그래핀은 두께가 0.34nm로 지금까지 합성할 수 있는 물질 들 중 가장 얇은 물질로 알려져 있다.
그래핀으로 나노미터 크기의 결정이 담긴 액체를 감싸면 투과전자현미경 안에서 그래핀이 투명하게 보인다. 또한 액체를 감싸고 있는 그래핀은 강도가 매우 뛰어나 고진공 환경에서도 액체를 고정시킬 수 있다.
즉, 투명한 유리 어항에 담긴 물속의 물고기들을 눈으로 볼 수 있는 것처럼 투명한 그래핀을 이용해 액체를 담아 그 속에 있는 결정들을 원자단위에서 관찰 할 수 있는 것이다.
연구팀은 이를 이용해 세계 최초로 액체 안에서 원자단위로 백금 결정들이 초기 형성되는 것과 성장과정을 관찰하는 데 성공했다.
이정용 교수는 “이번 연구 결과는 그동안 베일에 싸여있던 액체 속에서 일어나는 많은 과학현상들을 원자단위로 규명할 수 있는 원천기술로 평가받고 있다”며 “사람의 혈액 속에서 일어나는 유기물이나 무기물의 반응들까지도 규명할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 이정용 교수의 지도아래 육종민 박사(제1저자)가 박사학위 논문으로 미국 UC버클리대 알리비사토스 교수, 제틀 교수와 공동으로 수행했다.
그림 1. 그래핀 두 층으로 이루어진 그래핀 액체 용기를 보여주는 모식도이다. 회색으로 보여지는 그래핀이 위아래로 두층이 있고 그 사이에 백금 원자들을 포함한 유기 용액의 액체가 담겨있다.
그림 2. 가장 왼쪽의 녹색 모식도는 두 개의 백금 결정들이 서로 결합하는 것을 보여준다. 이것을 실제 투과전자현미경 안에서 두 개의 백금 결정들을 원자 단위에서 관찰한 것이 두 번째 사진이다. 화살표로 표시된 것이 두 개의 백금 결정들이다. 현재 백금 결정들은 액체 안에 담겨 있는 상태이다. 오른쪽으로 갈수록 시간이 지남에 따라 두 개의 백금 결정들이 하나로 합쳐지면서 그 모양이 육각형으로 변해가는 것을 볼 수 있다. 이 투과전자현미경 사진에서 백금들 안에 하얀 점들은 원자가 아니고 원자의 규칙을 보여주는 격자 사진이다. 이 격자 사진의 하얀 점들은 원자와 1대 1로 매칭할 수 있다. 즉, 이것은 원자 단위에서 관찰된 것이다.
그림 3. 그래핀 액체 용기 안에서 백금 원자들을 포함한 액체에 투과전자현미경을 이용해 전자 빔을 조사하였을 때 백금 결정들이 자라나는 것을 역동적인 모식도로 표현한 것이다.
2012.04.06 조회수 17346