우리얘기

■ 건국대 나노기술연구센터  임용식 교수팀이 단일벽 탄소나노튜브(CNT)에서 광학기법인 시분해 분광법으로 직경이나 구조 등 다양한 나노튜브의 특성을 실시간으로 분석할 수 있는 기법을 개발했습니다.

연구팀은 반도체형 탄소나노튜브에서 전자구조의 결맞음성에 기인한 강한 진동신호 및 이에 수반되는 미세한 격자진동 신호를 처음으로 관측하고 분석했습니다.

연구팀이 개발한 새로운 나노계측 기술은 펄스폭이 극히 짧은 펨토초 펄스로  탐사하는 광학기법으로, 시료에서 발생하는 미세한 전자적 구조 변화와 원자간 격자진동의 변화를 시간 진행에 따라 투과세기의 변화로 직접 검출하는 레이저 분광법입니다.

검출된 탐사광의 세기는 독특한 여러 주파수의 합성으로 표현되는 데, 사용되는 레이저 중심파장을 변화시키면 검출된 진동 주파수(모드)도 민감하게 변합니다.

이러한 진동모드들은 시료 내부의 전자 구조의 정보를 반영할 뿐만 아니라 원자간(격자) 진동에 관한 정보를 담고 있습니다.

탄소나노튜브의 종류에 따라 고유 진동주파수도 달라지고 공명조건에 따라 진동세기도 다르기 때문에 이를 분석하면 각 튜브 종류에 따라 그 전자 준위와 격자 진동준위(구조)를 거의 완벽하게 추출할 수 있습니다.

■ 연구팀은 장파장 적외선 파장대역의 펨토초 레이저 광원을 사용해 레이저 고유의 결맞음성으로부터 파생된 나노튜브에 결맞는 격자진동 뿐만 아니라, 결맞는 전자적 구조에 기인한 강한 진동주파수 성분들을 추출하여 나노튜브를 분석할 수 있는 기법을 새로이 제시했습니다.

이러한 새로운 나노물질에 관한 시분해 정밀 계측기법은 기존에 나노물질의 크기나 종류를 구분하기 위한 전자 및 X선 현미경법, 라만 및 형광 분광측정법보다 여러 장점을 갖게 됩니다.

우선 고밀도 시료에 대해 전처리 과정이나 시료 손상 없이 동시 다발로 처리할 수 있는 능력과 높은 분해능을 가지며, 연속적인 파장 변환측정이 어려운 라만 측정이나 금속 나노튜브에서는 측정이 불가한 형광측정법에 비해 큰 차별성을 갖게 됩니다.

또 자외선 파장영역의 펨토초 광원을 이용하면 에너지 띠가 큰 양자 나노 재질이나 생체 내 약효 나노 재질의 거동 등에도 활용될 수 있습니다.

■ 연구팀은 이러한 계측기법을 적용하여 HiPco(튜브직경=1 nm), CoMoCAT (직경=0.8 nm), Arc-discharged CNT (직경=1.5 nm)에서 나노튜브 종류(형상) 분석 기술개발과 전자-격자 상호작용에 관한 기본 기작에 관한 연구를 국내외 연구팀과 공동으로 수행해 오고 있습니다.

이는 현재 우리나라가 나노과학기술 분야에서 세계적으로 최상위군의 리더로써 활발한 연구 개발을 수행하고 있지만 주로 나노 소재를 바탕으로 한 응용 연구에 집중되어 있어, 상대적으로 나노 물질에 관한 계측과 같은 기반 요소기술이 취약한 상황에서 이번 연구와 같은 계측분야의  새로운 기술개발은 상당한 의미를 가지고 또 향후 응용연구에 중요한 역할을 할 전망입니다.

이번 연구결과는 미국화학회가 발간하는 세계적 과학저널인 나노레터스(Nano Letters : IF 12.21) 최근호에 게재됐습니다.
(제목 : Coherent Electronic and Phononic Oscillations in Single-Walled Carbon Nanotubes)

또 연구팀은 이와 관련해 지난 2006년 유사 측정기법을  탄소나노튜브에 적용한 'Coherent Lattice Vibrations in Micelle-Suspended Single-Walled Carbon Nanotubes'를 게재해(Nano Lett. 6, 2696, 2006) 약 40회 인용된 바 있습니다.

일반적으로 염료감응형 태양전지의 광전극은 이산화 타이타늄 나노입자들 간의 무질서한 연결을 통해 형성된 메조 다공구조를 형성하고 있습니다.

이는 나노입자 간의 전자 전달 효율이 낮추는 원인으로, 전체 태양광에너지 변환효율 향상을 위해 해결해야 할 문제 중 하나입니다.

이 같은 문제 해결을 위해 그동안 광전극 내 타이타늄 배향성을 증가시키거나, 나노선 또는 나노크기의 튜브형 구조를 적용한 고정렬도 광전극 구조를 적용하고자하는 연구들이 시도됐지만, 이러한 구조 자체가 불안정하고 큰 면적에 적용하기 어려운 한계가 있었습니다.

■ 건국대 글로컬캠퍼스 응용화학과 이재준 교수팀이 전도성이 높은 탄소계 나노물질인 탄소나노튜브(CNT)를 이용해 차세대 염료감응형 태양전지(DSSC)의 광변환 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했습니다.

연구팀은 차세대 태양전지 가운데 가장 유망한 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)의 효율 향상을 위해 광전극에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 적용해 염료감응형 태양전지의 개방전압 감소를 최소화함으로써 광변환 효율을 최대 6~7 % 정도 증가시켰습니다.
 
염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로 기존의 실리콘 태양전지보다 경제적이며 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지입니다.

이번 연구는 연료감응형 태양전지에서 아직 규명되지 않은 탄소나노튜브의 영향을 체계적으로 분석해 이론적으로 해석했을 뿐 아니라 이를 실험적으로 구현해 증명한 첫 연구입니다.

■ 연구팀은 이번 연구에서 광전극의 메조 다공구조를 유지한 채 고전하 전도성 특성을 가지는 대표적인 탄소계 나노물질인 CNT를 도입함으로써 공정상의 어려움이라는 근본적 문제를 피하고, CNT의 고전도성을 활용함으로써 태양전지의 전하포집 효율이 증가되는 기술을 개발했습니다.

이 교수팀은 특히 계면에서의 전자전달 특성 변화 원인 규명에 대한 실험적, 이론적 연구결과를 설명하고, CNT를 첨가할 때 발생하는 개방전압의 감소를 최소화 할 수 있는 광전극 구조에 대한 연구 결과를 제시했습니다. 

일반적으로 CNT를 광전극에 도입할 경우 전자포집효율이 40% 이상까지 크게 증가하지만, 대부분의 경우 개방전압의 급격한 감소로 인해 실질적인 태양전지 효율의 향상을 이끌어 내지 못했습니다.

그러나 이번 연구를 통해 이 교수팀은 CNT가 광전극내에 도입될 경우 형성되는 다양한 계면들에서의 계면상태 에너지 분포와 변화가 개방전압의 감소와 밀접한 상관관계가 있음을 규명했고, 이러한 특성을 기반으로 개방전압의 감소에 직접적인 영향을 주는 계면상태의 분포를 최소화할 수 광전극의 구조를 제안했습니다.

이번 연구에서 제안하는 광전극 나노구조를 활용할 경우 CNT를 사용하지 않았을 때에 비해 6~7 % 정도 광효율이 증가하는 것으로 나타났습니다.

특히 일반적인 염료감응형 태양전지보다 수 마이크로미터 이하의 훨씬 얇은 박막상태인 광전극에 적용할 경우 그 효과가 극대화되기 때문에 향후 저온소성 공정을 필요로 하는 유연기판형 광전극 개발에 유용한 기술이 될 것으로 기대되고 있습니다.

■ 이 교수는 향후 그래핀을 적용하는 방법과 저온소성기반 염료감응형 태양전지용 광전극 제작에 활용하는 방안 등 다양한 연구를 구상 중입니다.

또 비액체형 전해질이 도입된 유연성 염료감응형 태양전지 개발에 적용할 수 있는 기반기술의 개발과 관련된 후속연구들을 진행 중입니다.

이번 연구결과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 출간하는 SCI 급 국제 학술지인 PCCP(Physical Chemistry Chemical Physics) 2012년도 제 14호 표지논문으로 선정됐습니다.
(논문명 :  patial arrangement of carbon nanotubes in TiO2 photoelectrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells)

<이재준 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 건국대학교 글로컬캠퍼스 응용화학과                  2. 학력   1986-1990  서울대학교 이학사 (화학)   1990-1993  서울대학교 이학석사 (화학)   1995-2001 Case Western Reserve University 이학박사 (전기화학)       3. 경력사항 2008 ~ 현재  건국대학교 자연과학대학 응용화학과 (나노화학/전기화학 전공) 부교수  / 건국대학교 신기술융합학과 (대학원) 겸임교수  / 건국대-프라운호퍼 차세대 태양전지 연구소  부소장 (2008.12.1~) (Vice Director, KonkukUniversityMAT-FraunhoferISE Next Generation Solar CellResearchCenter(KFnSC)) 2004 ~ 2007   건국대학교 자연과학대학 응용화학과 (나노화학/전기화학 전공) 조교수  건국대학교 신기술융합학과 (대학원) 겸임교수 2000 ~ 2004    Post Doctoral Scholar (박사후 연구원),   Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, California (캘리포니아 공과대학) 2012-  한국전기화학회 태양전지분과회장  (2012.1.1 ~ 2013.12.31) 2012-  한국전기화학회 학술위원장  (2012.1.1 ~ 2013.12.31) 2012-  대한화학회 전기화학분과 총무간사  (2012.1.1 ~ 2012.12.31) 2011-  충청권 태양광 테스트베드 운영위원 (2011.8. ~ )