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연필심에서 배터리까지 탄소의 무한 변신
- “차세대 이차전지나 태양전지, 디스플레이 개발을 위한 기술적 진보 이뤄”
- 그래핀과 탄소나노튜브를 새로운 3차원 형태로 조립에 성공
-‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 특집기획 초청논문 게재
연필심의 원료인 흑연이나 다이아몬드등과 같이 순수하게 탄소로만 이루어진 물질들이 우리주변에서 다양한 소재나 부품으로 널리 쓰이고 있다. 특히 최근에는 탄소나노튜브나 그래핀과 같이 나노미터 크기를 갖는 탄소나노소재들이 새롭게 발견돼 학계와 산업계로부터 많은 관심을 끌고 있다.
꿈의 신소재로 불리는 그래핀과 탄소나노튜브는 탄소원자가 2차원적 평면상에 벌집 모양으로 결합된 화학구조로 되어있다. 이로 인해 다이아몬드보다 강도가 높으면서 잘 굽혀질 수 있고, 투명하면서도 전기가 잘 통하는 등 기존의 다른 소재들이 갖지 못한 우수한 특성들을 가지고 있다. 그러나 자연 상태에서는 이들이 뭉쳐있거나 층층이 쌓여 흑연을 이루고 있어 개별적으로 분리해내기에 어려운 문제점이 있었다.
분자조립 나노기술의 세계적 연구그룹인 KAIST(총장 서남표) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 꿈의 소재라 불리는 그래핀과 탄소나노튜브를 3차원 형태로 조립하는 새로운 원천기술을 개발했다.
연구팀은 그동안 오랜 연구역량을 축적해 온 분자조립 나노기술을 이용해 그래핀과 탄소나노튜브를 입자 단위로 분리한 후 새로운 3차원 형태로 조립하는 데 성공했다. 또한, 이 과정에서 값싼 천연 흑연으로부터 단일층의 그래핀 유도체를 매우 높은 순도로 얻어내는 데 성공했다.
김상욱 교수는 “이번 연구로 그래핀계 탄소소재가 가진 넓은 표면적, 우수한 전기전도성, 기계적 유연성 등의 우수한 물성을 차세대 이차전지나 태양전지, 디스플레이 등에 이용하기 위해 필요한 중요한 기술적 진보를 이뤘다”며 “이번 논문 게재로 연구팀이 탄소소재 연구에서 세계적 선도그룹으로 인정받고 있음을 다시 한 번 확인했다”고 말했다.
김 교수는 이번 연구내용으로 4월말 미국 샌프란시스코에서 개최되는 국제재료학회(Materials Research Society)에서 초청 강연을 할 예정이다.
한편, 이번 연구결과는 신소재분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 4월 22일자에 특집기획 초청논문(Invited Feature Article)으로 발표됐다. 논문이 소개된 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’의 특집초청논문은 세계적인 연구그룹의 최신 연구동향을 엄격한 심사를 통해 선별, 초청하는 기획논문이다.(끝)
※용어설명그래핀: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재
탄소나노튜브: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재
2011.04.25 조회수 13980 -
숲을 모방한 차세대 태양전지 기술 개발
- 산화아연 나노와이어 이용해 염료감응형 태양전지 효율 3~5배 향상
- 세계적 학술지‘나노 레터스(Nano Letters)’ 1월호 온라인 판 게재
우리나라 태양전지 연구개발 수준이 글로벌 경쟁력을 갖추게 됐다.
우리학교 기계공학과 고승환·성형진 교수팀이 숲을 모방한 산화아연 기능성 나노구조체를 만드는 기술을 개발하고, 이 기술을 염료감응형 태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 세계 최고 수준으로 크게 향상시켰다.
염료감응형 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)는 주로 산화티타늄(TiO2) 나노입자로 이루어진 무질서한 다공성 구조체를 전극 재료로 이용한다. 이 전극에서 생성된 전자가 다공성 구조체를 지나면서 생기는 정공-전자 재결합으로 인해 에너지 손실이 많았다.
연구팀은 자연계에서 무성한 나뭇가지로 나뭇잎이 햇빛을 효과적으로 흡수할 수 있도록 한 구조에 착안해, 산화아연(ZnO) 나노와이어로 합성된 ‘나노 나무’와 그들의 집합체인 ‘나노 숲’을 구현했다.
이 나노구조체를 이용해 광반응으로 생성된 전자의 손실을 크게 줄여 염료감응형 태양전지의 효율을 3~5배 향상시키는 데 성공했다. 또한, 이 구조는 염료감응형 태양전지에서 산화티타늄 나노다공성 구조체의 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성도 세계 최초로 제시했다.
고승환 교수는“이번 신물질과 새로운 기능성 나노구조체 개발에 대한 연구로 태양전지 효율을 극대화해 이 분야에서 세계적 수준을 갖추게 됐다”며, “나노구조체가 광센서 디스플레이등의 다양한 전자기기의 성능향상의 연구에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 창의적 연구 진흥사업과 신진연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학의 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지 1월호 온라인 판에 게재됐다.
2011.01.31 조회수 14617 -
나노튜브를 이용한 유기태양전지 효율 향상 기술 개발
우리학교 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했다.
이 연구결과는 재료공학의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최신호(11월 30일, 화) 온라인 판에 게재됐다.
반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하는 유기태양전지는 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴하다. 또한, 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원이다.
이 전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.
유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮아 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송특성을 향상하려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔다. 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구되어 왔다.
그러나 이들 연구에서는 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했다.
이러한 문제를 포함해 유기태양전지들은 상용화하기에는 아직 낮은 광변환 효율을 보여 이에 대한 성능향상이 시급히 요구되어 왔다.
KAIST 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%까지 크게 향상시키는데 성공했다.
또한 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했다.
이 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “이번 연구결과를 통해 나노소재 기술이 유기태양전지의 성능향상에도 크게 기여할 수 있음을 알아냈다”며 “앞으로 나노소재 기술을 이용한 차세
대 에너지개발을 위한 연구에 노력하겠다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)연구사업의 지원을 받아 김상욱, 유승협 교수의 지도하에 박사과정 이주민 학생이 진행했다.
2010.12.07 조회수 18942 -
열팽창이 작은 플라스틱 필름 기판 개발
-‘어드밴스드 머티리얼스’표지논문 선정,“자유자재로 휘어지는 디스플레이와 태양전지 상용화 앞당겨”-
자유자재로 휘거나 구부릴 수 있는(flexible) 디스플레이와 태양전지 제작에 필요한 열팽창이 작은(13ppm/oC 이하) 투명한 유리섬유직물* 강화 플라스틱 필름 기판이 국내 연구진에 의해 개발되었다. * 유리섬유직물(glass cloth) : 실처럼 만든 유리섬유를 사용하여 옷감처럼 직조한 유리섬유 강화재로, 강력하고 열팽창이 적어 조선, 건축, 자동차 및 전자산업 등 폭넓게 사용됨
우리학교 배병수 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 선도연구센터(ERC)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 재료분야 최고 권위의 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 표지논문(10월 25일)에 선정되는 영예를 얻었다.
배 교수 연구팀은 유리섬유직물과 굴절률이 똑같은 하이브리드 소재 수지를 독자적으로 제작한 후, 이를 유리섬유직물에 함침시켜 열팽창이 작은 투명한 플라스틱 필름 기판을 개발하였다.
차세대 꿈의 디스플레이로 불리는 자유자재로 휘거나 구부릴 수 있는 디스플레이나 미래 생활형 태양전지를 개발하기 위해서, 지금까지 전 세계 연구자들은 투명한 플라스틱 필름 기판을 사용하였다.
그러나 플라스틱 필름은 유리에 비해 온도가 올라가면서 열팽창이 점점 커져 기판 위에 디스플레이나 태양전지를 제작하기 어려워, 열팽창이 작은 투명한 플라스틱 필름 기판 개발이 절실히 요구되었다.
플라스틱의 열팽창을 낮추는 가장 쉬운 방법은 유리섬유직물을 보강하는 것인데, 이것은 플라스틱 안에 유리직물이 들어가므로 불투명해진다.
배 교수팀은 이를 해결하기 위해서, 유리섬유직물과 굴절률이 똑같은 특수한 하이브리드소재 수지를 직접 제작하여, 이를 유리섬유직물에 함침시켜 투명한 플라스틱 필름 기판을 개발하였다. 유리섬유직물과 함침된 하이브리드재료의 굴절률이 정확히 일치하면, 육안으로 전혀 차이를 느낄 수 없어 투명하게 되는 원리를 이용한 것이다.
배 교수팀이 개발한 투명 플라스틱 필름 기판은 유리섬유직물로 보강되었기 때문에 유리의 열팽창계수(9ppm/oC)에 가까운 낮은 열팽창계수(13ppm/oC)를 갖고, 내열성이 우수한 하이브리드소재를 이용하여 높은 온도(250oC 이상)에서도 디스플레이와 태양전지 등의 소자를 제작할 수 있는 장점이 있다.
배 교수팀의 투명 플라스틱 필름 기판은 휘어지는(flexible) 디스플레이와 태양전지의 기판 소재는 물론, 플라스틱의 특성(큰 열팽창과 낮은 내열성)으로 다양하게 사용되지 못하던 응용분야에 다각적으로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
연구팀은 이번에 개발한 투명 플라스틱 필름 기판을 이용하여 LCD나 아몰레드(AMOLED)에 사용되는 휘어지는(flexible) 산화물 박막 트랜지스터 (TFT)와 박막 태양전지를 직접 제작하여 응용 가능성을 높였다.
배병수 교수는 “이번에 개발한 투명 유리섬유직물 강화 플라스틱 기판은 성능도 우수하지만 가격도 저렴하면서 손쉽게 제작할 수 있어, 유리 기판을 대체하여 휘어지는 디스플레이나 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심기술이다. 앞으로 국내외 산업체, 연구소, 대학들과의 긴밀한 협력으로 다양한 소자들을 제작하여, 기술의 우수성을 검증 받고 활용성을 더욱 확대할 계획이다”라고 밝혔다.
2010.10.25 조회수 17560