대덕밸리이야기

Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light   Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells
Jeonghun Kim†, Jong Kwan Koh†, Byeonggwan Kim, Jong Hak Kim*, Eunkyoung Kim* 
(Angewandte Chemie International Edition, 51, 28, 6864-6869 (2012) 7월 9일 출판)

○ 전도성 고분자와 태양전지

전도성 고분자는 전기를 흐르게 하는 기능성 고분자로서 전기로 색이 변하는 디스플레이부터 높은 전도도를 이용한 전극제조, 정공 전달 특성을 통한 LED, 태양전지 등 다양한 응용분야에 사용되고 있는 스마트 재료이다.
화학적 구조 변화를 통하여 다양한 특성을 제어할 수 있으며, 연구가 활발히 진행되고 있다.
미래 에너지 생산 기술가운데, 무한한 태양 빛을 이용하는 태양전지는 자연으로부터 많은 에너지를 얻을 수 있는 기술로서, 다양한 소재, 사용 목적, 효율에 따라 많은 기술로 세분화 되며, 상용화 및 저가화를 위해 많은 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
이중, 염료감응형 태양전지는 실리콘, 고분자 태양전지에 비해 제조가 쉽고, 단가가 낮으며 상대적으로 높은 효율을 갖기 때문에 미래 태양전지중의 하나로 각광받고 있다.
염료감응형 태양전지는 요오드(I2)를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 이 액체전해질은 고온에서의 팽창으로 인한 누출 및 낮은 안정성을 갖고, 전극의 부식과 같은 심각한 문제를 유발하기 때문에, 이를 고체전해질로 대체하기위한 기술이 활발히 진행되고 있다.
본 연구진은 열에 의해 중합이 되는 높은 전도도를 갖는 전도성 고분자를 정공전달물질로 이용하여 고체태양전지를 개발하였으며, 높은 성능을 보여주었다.
본 논문에서도 전도도가 높은 전도성 고분자를 이용하여 고체전해질로 사용하였으며, 높은 효율을 보여주었다.     

○ 빛 수확기술

최근 들어 세계적으로 태양전지 개발은 동일 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하여더 많은 전기를 생산해 낼 수 있는 기술개발에 많은 연구가 진행되고 있다.
빛 수확기술에는 나노와이어, 나노튜브, 광결정과 같은 나노구조를 이용하거나 반사필름의 부착, 산란을 일으키는 전해질 등, 빛을 효과적으로 이용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.  
나노 패턴을 이용한 빛 수확기술은 실리콘 태양전지, 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과를 증명하였지만, 태양전지의 큰 주축인 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝 해야 하기 때문에 어려움이 있었다. 

(그림 1) 나노패턴이 형성된 광전극 제조 방법. (a) 나노스탬프의 전자현미경 사진 및 실제 사진 (b) TiO2 계면 코팅 (c) 산성 TiO2 페이스트를 이용한 TiO2 층 제조. (d) 중성 TiO2 페이스트를 코팅. (e-g) 나노스탬프를 이용한 패터닝 공정.

본 연구에서는 PDMS 탄성체 패턴 스탬프를 이용하여 기존의 광전극 위에 간단한 방법으로 무기산화물 나노입자의 패턴을 효과적으로 제조하였다.
[그림 1] 기존의 광전극 제조에 사용되는 나노입자 코팅액은 입자간의 밀집도를 높이기 위하여 산성 물질이 들어있다. 산성을 띄는 물질은 PDMS 탄성체의 표면을 -OH 작용기로 바꾸게 되고, 이 작용기는 TiO2 나노입자 표면에 존재하는 -OH와 반응하여 결합을 하게 되는데, 패터닝 공정에서 건조 후 나노스탬프를 떼어 내는 공정에서 소수성 성질을 갖는 PDMS가 뜯기어 TiO2 표면에 남게 된다.
이는 광전극 패턴 공정 후 친수성 염료용액을 이용하여 염료를 흡착할 때 친수성 용액이 소수성 TiO2 표면을 통해 들어갈 수 가 없고 염료가 흡착되지 않아 태양전지를 제조할 수 없게 된다.
[그림 2d-e] 반면에 중성을 띄는 TiO2 코팅액은 PDMS 표면과 반응하지 않아 PDMS 잔류물 없이 떼어진다. 따라서 염료가 효과적으로 흡착되게 된다.
[그림 2b-c] 이 후에 전도성 고분자를 투입시켜 중합한 후[그림2 f-h] 최종적으로 요오드가 들어가 있지 않은 고체상 염료감응태양전지를 제조한다.[그림 2a] 

(그림 2) (a) 제조된 태양전지 구조. (b-c) 중성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착실험. (d-e) 산성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착. (f-h) 광전극의 나노구멍에 전도성 고분자 투입. (i) 대면적 전극 위에 나노패턴 생성 후 바로 찍은 사진. (j) 고온에서 열처리 한 후 만든 광전극. (k-l) 염료가 흡착된 빛 반사특성을 가지는 대면적 광전극.

○ 나노 패턴 및 광학적 성질

본 논문에서는 주기가 600nm 이고 패턴 사이즈가 300nm 인 나노패턴 형성을 목표로 하였으며, 최적 패턴사이즈를 빛 반사 성능을 수식으로 부터 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

(그림 3) (a) 산성페이스트로 만든 광전극 표면 전자현미경 사진. (b-c) 산성페이스트로 만들어진 광전극위에 중성 페이스트를 이용하여 만든 나노패턴 단면 및 표면 전자현미경 사진. (d-e) 그림 b-c의 확대 전자현미경 사진. (f) 나노스탬프를 재사용하여 만든 나노패턴 전자현미경 사진. (g-h) 나노스탬프의 원자현미경 사진. (i-j) 나노패턴이 형성된 광전극의 표면 원자현미경 사진.

그림 3과 같이 전자현미경과 원자 현미경을 이용하여 나노스탬프와 패턴이 형성된 나노입자를 확인하였다.
고온에서 열처리 중에 유기물이 타면서 패턴 사이즈가 원래 사이즈에서 조금 줄긴 하였지만, 주기는 600nm로 유지하고 있음을 확인하였으며, 결함 없이 나노 선 패턴이 성공적으로 형성되었음을 확인하였다.
본 연구진은 마이크로부터 수백 나노 크기의 패턴까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다는 것을 실험을 통해 밝혔다.
또한 사용한 스탬프는 계속 재사용할 수 있다는 것을 확인하였으며[그림 3f], 이를 통해 대량생산 공정에도 적용 가능함을 보여주었다.

(그림 4) (a) 빛의 반사를 이용한 빛 수확기술의 모식도. (b) 나노패턴이 있는 전극과 없는 전극의 반사율 측정. (c) 제조된 염료감응태양전지의 단면 전자현미경 사진. (d) 전도성 고분자의 효과적인 침투를 확인하기 위한 염료감응태양전지의 단면 SEM-EDS 사진 (원소분석). (e) 제조된 태양전지의 전압-전류 그래프. (f) 제조된 태양전지의 양자효율 측정 그래프.

○ 태양전지의 효율 및 다양한 응용가능성

패턴이 형성된 태양전지는 패턴이 없는 태양전지보다 전류밀도가 40% 증가하였으며, 전체적으로 태양전지 광전변환효율은 33% 증가하였다.
[그림 4e-f] 나노패턴만을 이용하여 이정도의 효과는 보고된 바는 없다는 사실에서 효과적인 기술임이 입증되었다. 

이 기술은 나노입자를 효과적으로 마이크로사이즈로부터 나노사이즈까지 이르는 패터닝 공정을 제시한 것으로써, 다양한 염료, 전해질, 무기 나노입자, 재료를 사용하는 염료감응형 태양전지뿐만 아니라 하이브리드 태양전지 및 다양한 광전소자에도 응용될 수 있으며, 패턴의 사이즈와 개수를 늘려 대면적화가 가능하고 나노스탬프를 계속적으로 사용될 수 있기 때문에 대량생산 및 모듈화가 가능한 나노패터닝 공정을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다.

2. 학력
 ○ 1978 - 1982  연세대학교 화학과 학사    
 ○ 1982 - 1984  서울대학교 화학과 석사   
 ○ 1985 - 1990  미국 University of Houston, 화학과 박사

3. 경력사항
 ○ 1990 - 1992  University of Houston, 화학과, Visiting Assistant Professor
 ○ 1992 - 2004  한국화학연구원, 화학소재부, 책임연구원
 ○ 2004 - 현재  연세대학교 화공생명공학과 교수   
 ○ 2004 - 현재  Adjunct Principal Research Scientist, KRICT
 ○ 2006, 2007, 2009  Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Cachan,   Paris-6 Univ., Rennes Univ., France 
 ○ 2006 - 2010 나노기술을 이용한 바이오 융합사업 혁신클러스터, 센터장
 ○ 2007 - 현재  ERC (패턴집적형 능동폴리머 소재연구센터) 센터장 
 ○ 2012 Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Lyon, France

4. 전문 분야 정보
 ○ 교육과학기술부?한국연구재단 선도연구센터(ERC) 센터장 (2007 - 현재)
 ○ 나노기술을 이용한 바이오 융합산업 혁신 클러스터, 센터장, (2006 - 2011)
 ○ SCI 논문 136편 및 특허 100 건 이상

5. 수상 경력
 ○ 2001 제1회 올해의 여성 과학기술자상, 과학기술부 
 ○ 2006 일본화상학회 회장특상
 ○ 2009 제4회 아모레퍼시픽(AMOREPACIFIC) 여성과학자상 대상 외 다수 

6. 주요 논문업적
- 유기합성을 기반으로 한 공액구조의 기능성고분자 합성 및 응용에 대한 연구를 지향하며, 특히 전도성고분자, 형광고분자를 이용한 디스플레이, 센서, 태양전지, 줄기세포 연구 등의 다양한 응용분야에 폭넓은 연구를 진행하고 있으며, 패터닝 공정을 이용한 광전기적 특성을 제어하는 연구를 활발히 진행하고 있다. Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS nano, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Macromolecules의 최상급 저널을 포함하여 136편 이상의 SCI 논문을 발표. 국내외 특허 출원 및 등록 100여건 이상.

<김종학 교수>

2. 학력
 ○ 1998   연세대학교 화학공학과 공학사 
 ○ 2000   연세대학교 화학공학과 공학석사
 ○ 2003   연세대학교 화학공학과 공학박사
 ○ 2005   MIT 재료공학과 박사후 연구원 

3. 경력사항 
 ○ 연세대학교 화학공학과 공학사 (1998)
 ○ 연세대학교 화학공학과 공학석사 (2000)
 ○ 연세대학교 화학공학과 공학박사 (2003)   
 ○ MIT 재료공학과 박사후 연구원 (2005)
 ○ 연세대학교 화공생명공학과 조교수, 부교수 (2005-현재)

4. 전문 분야 정보
 ○ 2006 - 현재: 한국 막학회 학술이사, 편집이사, 기획이사
 ○ 2007 - 현재: 한국 화학공학회 NICE지 편집위원
 ○ 2011 - 현재: 한국 광과학회 이사
 ○ 2012 - 현재: 한국 청정기술학회 이사
 ○ 2007년 연세대 우수강의 교수상 
 ○ 2009년, 2011년 연세대 우수업적 교수상 
 ○ 2011년 한국막학회 논문상 수상

 5. 주요 논문업적
- 신에너지 전기화학 소재 분야와 (태양전지, 연료전지, 리튬전지 등), 기능성 고분자, 유무기 나노소재, 나노 복합체, 고분자 전해질, 나노입자 그리고 나노 분리막 분야의 연구를 지향하며, Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Journal of Physical Chemistry, Macromolecules, Journal of Membrane Science 등 총 160여 편 게재. 국내외 특허 출원 및 등록 50여건.