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'김동하 교수'에 해당되는 글 1

  1. 2011.12.29 차세대 태양전지 효율 1.4배 높인 하이브리드 탄소나노소재

이화여대 김동하 교수와 장윤희 박사과정생(제1저자) 연구팀이 전기가 잘 통하는 탄소를 나노크기로 만들어 결합한 하이브리드 탄소나노소재로 차세대 연료감응형 태양전지의 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했습니다.

연구팀은 분자량 10만 이상의 고분자로 직접 제조한 하이브리드 탄소나노소재를 염료감응형 태양전지에 도입해 효율을 높였습니다.

염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로, 기존 상용화된 실리콘 태양전지에 비해 제작방법이 간단하면서 경제적이며 투명하게 만들 수 있어, 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지입니다.

현재 전 세계 연구자들은 염료감응형 태양전지의 효율을 높이고 상용화하고자 집중적으로 연구하고 있습니다.

연구팀이 개발한 염료감응형 태양전지는 하이브리드 탄소나노소재를 전지의 한쪽 전극(광전극)에 붙여 전기를 잘 통하게 하면서도 경계면의 저항을 최소화해 기존 전지 효율보다 최대 40% 이상 향상됐습니다.
  
또 연구팀이 제조한 하이브리드 탄소나노소재는 고분자를 기반으로 해 비교적 쉽게 만들 수 있어, 태양전지를 포함한 다양한 에너지 소자의 전극물질로 다양하게 활용될 수 있습니다.  

이중블록공중합체의 직접 탄소화 기법에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 박막의 (a) SEM 및 (b) AFM사진

 

이번 연구결과는 'Nano Letters'지 온라인 속보(12월 12일자)에 소개됐고, 내년 1월호에 게재될 예정입니다. 
(논문명: An Unconventional Route to High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells via Embedding Graphitic Thin Films into TiO2 Nanoparticle Photoanode)

(a) 이중블록공중합체의 직접 탄소화 기법에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 나노소재의 전도성을 평가한 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV) 분석 그래프(초록)이다. 대조군으로 유리상 탄소 전극(glassy carbon electrode, 검정)과 P25 TiO2(상용화된 TiO2 나노입자, 빨강)의 CV 그래프와 직접 탄소화 기법에 의해 제조된 순수 탄소의 CV 그래프(파랑)를 나타내었으며, 직접 탄소화 기법으로 제조된 탄소의 경우 가장 많은 전류가 흐르고 있음을 알 수 있으며, 하이브리드 탄소/TiO2의 경우에는 TiO2의 낮은 전도성 때문에 순수한 탄소에 비하여 낮은 전류가 흐르는 것으로 판단된다. (b~d) 여기된 전자의 이동을 분석하기 위해서 전기화학적 임피던스 분석(electron impedance spectroscopy, EIS)을 하였다.
(b)는 등가회로(equivalent circuit)를 나타내며, (c)는 Nyquist plot으로 탄소/TiO2 박막이 도입된 염료감응형 태양전지의 경우에는 도입되지 않은 태양전지보다 저항이 작은 것을 알 수 있다.
(d)는 전자의 life time을 알 수 있는 Bode phase plot 이다. 그래프로부터 탄소/TiO2 박막이 도입된 염료감응형 태양전지에서 여기된 전자의 life time이 긴 것을 확인 하였으며, 탄소/TiO2 박막이 도입된 형태에 따라 차이가 있음을 알 수 있는데, TiO2 나노입자의 아래쪽과 위쪽에 모두 도입된 경우(초록)에 가장 낮은 저항과 가장 긴 life time을 나타낸 것을 확인 할 수 있다.


 용  어  설  명

블록공중합체의 자기조립 (block copolymer self-assembly) :
블록공중합체는 화학적으로 성분이 다른 두 가지 이상의 고분자가 사슬 한쪽 끝을 통하여 공유결합으로 연결된 특이한 유형의 고분자이다.
이러한 고분자는 자기 조립을 함으로써 나노 크기 수준에서 구(sphere), 실린더(cylinder), 자이로이드(gyroid), 라멜라(lamellae)를 포함한 다양한 형태의 주기적인 구조를 발현하는 특징을 가진다.
또한, 한 쪽 블록에만 선택적으로 무기물을 결합시킴으로써 유-무기 하이브리드 구조체를 제조할 수 있는 주형(template)의 역할을 할 수 있다.  

직접 탄소화 기법 (direct carbonization) :
별도의 탄소 전구체를 필요로 하지 않고, 직접 탄소화기법에 의해 고분자를 탄소질의 물질로 전환할 수 있는 기법이다. 자외선 조사를 통한 고분자의 가교(cross-linking)를 유도하고, 열처리함으로써 탄소질의 물질로 전환될 수 있으며, 블록공중합체의 자기조립 현상에서 비롯된 규칙적이고 질서도가 높은 하이브리드 탄소 나노소재의 제조 및 제어가 가능하다.   

 <연 구 개 요>

염료감응형 태양전지는 기존의 상용화된 실리콘 기반의 태양전지와 비교하여 높은 광전환 효율을 보일 뿐 아니라, 상대적으로 제작이 간단하며, 경제적인 차세대 태양전지이다.
염료감응형 태양전지의 효율향상 및 상용화를 촉진하기 위한 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며, 대표적으로는 1) 가시광 영역뿐만 아니라 적외선 영역을 포함한 전 파장대의 빛을 흡수할 수 있는 염료; 2) 염료의 흡착 및 전자의 주입을 최대화하기 위한 산화물 반도체(특히, 이산화티타늄(TiO2))의 구조 제어; 3) 안정적이고 효과적인 환원을 유도하는 산화-환원 전해질; 4) 고가의 백금 전극을 대체하기 위한 연구 등이 활발하게 이루어지고 있다.
최근에는 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 금 또는 은과 같은 금속 나노입자, 광결정(photonic crystal)과 같이 주기구조를 갖는 물질 및 탄소 소재와 같은 새로운 물질을 첨가하는 형태의 연구가 주목을 받고 있다. 특히, 높은 전기전도도(electrical conductivity)를 갖는 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 탄소나노섬유(carbon nanofibers) 및 그래핀(graphene)과 같은 다양한 탄소소재를 태양전지에 도입하게 되면, 전자의 이동(transport) 및 수집(collection)을 용이하게 함으로써 태양전지 효율 향상에 도움을 줄 수 있기 때문에, 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 아직까지는 탄소소재와 이산화티타늄(TiO2) 계면에서의 전자의 이동 및 수집에 대한 영향을 분명하게 이해하고, 보고한 연구는 미비하다. 

본 연구팀은 탄소/TiO2 하이브리드 박막(hybrid thin film)을 이중블록공중합체(diblock copolymer)를 이용하여 제조하였고, 이를 염료감응형 태양전지의 광전극에 도입하여 효율 향상을 유도하였으며, 그 기구를 제시하였다.

a) 이중블록공중합체(PS-b-P4VP)를 이용한 탄소/TiO2 하이브리드 박막 제조의 모식도; b) 탄소/TiO2 하이브리드 박막이 도입된 염료감응형 태양전지의 모식도


탄소질 생성을 위하여 별도의 전구체나 활성화 촉매를 사용하지 않고도, 자기조립 이중블록공중합체의 자외선 조사를 통한 안정화(UV stabilization) 및 열처리를 통한 직접 탄소화(direct carbonization)를 통해 용이하고 경제적으로 탄소질의 박막을 제조할 수 있으며, 이중블록공중합체의 한 블록에만 특정 무기물이 특이적으로 결합할 수 있는 특성을 이용하여 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 제조할 수 있었다.(그림 a)

이중블록공중합체의 안정화 및 직접 탄소화에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 염료감응형 태양전지의 구성요소인 광전극에 도입하여(그림 1,b), 염료 감응형 태양전지의 광전환 효율을 최대 40%까지 향상시키는데 성공하였다(그림2). 

전류밀도-전압(photocurren-voltage) 그래프


이는 본 연구팀에 의해 개발된 기법으로 제조된 하이브리드 탄소/TiO2 박막이 높은 전기 전도성을 갖는 탄소를 포함하고 있으며, TiO2 나노입자 및 투명전극(FTO)과 탄소/TiO2 박막 사이의 계면에서의 저항을 감소시킴으로써, 여기(excitation)된 전자의 전달을 촉진시켜 염료감응형 태양전지의 광전환 효율을 향상 시키는데 큰 역할을 한 것으로 판단된다. 

본 연구에서 제안된 탄소/TiO2 하이브리드 박막의 제조기법은 이중블록공중합체를 이용한 용이하고 경제적인 기법이며, 이중블록공중합체의 자기조립 성질을 조절하면 다양한 구조 및 조성을 갖는 하이브리드 나노구조체를 제조할 수 있다.
특히, 하이브리드 탄소나노소재의 제조기술은 염료감응형 태양전지의 광전극 뿐 아니라, 연료전지 및 배터리의 핵심 구성요소인 전극소재 및 친환경 가시광 활성 촉매 분야 등에 광범위하게 적용이 가능할 것으로 기대된다. 


<김동하 교수> 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 이화여자대학교 화학나노과학과

2. 학력
  ○ 1991 : 서울대학교 학사 (섬유공학)
  ○ 1996 : 서울대학교 석사 (섬유고분자공학)
  ○ 2000 : 서울대학교 박사 (섬유고분자공학)
 
3. 경력사항
○ 2000 ~ 2003 : 미국 메사츄세츠 대학 고분자공학과, Post-Doctor.
○ 2003 ~ 2005 : 독일 막스플랑크 고분자 연구소, Post-Doctor.
○ 2005 ~ 2006 : 삼성전자 반도체 총괄 메모리 사업부, 책임연구원
○ 2006 ~ 2009 : 이화여자대학교 화학나노과학과, 조교수
○ 2010 ~ 현재 : 이화여자대학교 화학나노과학과, 부교수

4. 주요연구업적
1. Yu Jin Jang,‡Yoon Hee Jang,‡Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Carbon/Metal Nanotubes with Tailored Order and Configuration by Direct Carbonization of Inverse Block Copolymer Micelles Inside Nanoporous Alumina", Chem. Commun. 2012, 48(4), 507-509. Back cover article
2. Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Yoon Hee Jang, Won Jun Lee, Min-Ah Cha, Hae-Young Shin, Seok Hyun Yoon, Sang Soo Lee, Sang Ouk Kim, Kwanwoo Shin, Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Visible-Light Active Nanohybrid TiO2/Carbon Photocatalysts with Programmed Morphology by Direct Carbonization of Block Copolymer Templates", Green Chem. 2011, 13(12), 3397-3405.
3. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Martin Steinhart, Dong Ha Kim,* "The fabrication of graphitic thin films with highly dispersed noble metal nanoparticles by direct carbonization of block copolymer inverse micelle templates", Carbon 2011, 49(6), 2120-2126.
4. Dongxiang Li, Yu Jin Jang, Ji-Eun Lee, Jieun Lee, Saji Thomas Kochuveedu, Dong Ha Kim,* "Grafting Poly(4-vinylpyridine) onto Gold Nanorods toward Functional Plasmonic Core-Shell Nanostructures", J. Mater. Chem. 2011, 21(41), 16453-16460. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2011, 24(17)
5. Ji Yong Lee, Jieun Lee, Yu Jin Jang, Juyon Lee, Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Cheolmin Park, Dong Ha Kim,* "Controlling the Composition of Plasmonic Nanoparticle Arrays via Galvanic Displacement Reaction on Block Copolymer Nanotemplates", Chem. Commun. 2011, 47(6), 1782-1784. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2011, 23(6), February 14
6. Yoon Hee Jang, Seung Yoon Yang, Yu Jin Jang, Cheolmin Park, Jin Kon Kim, Dong Ha Kim,* "Ultra-high Density Arrays of Toroidal ZnO Nanostructures by One-Step Cooperative Self-Assembly Processes: Mechanism of Structural Evolution and Hybridization with Au Nanoparticles", Chem-Eur. J. 2011, 17(7), 2068-2076. Frontispiece article
7. Yu Jin Jang, Dong Ha Kim,* "One-Step and Self-Assembly Based Fabrication of Pt/TiO2 Nanohybrid Photocatalysts with Programmed Nanopatterns", Chem-Eur. J. 2011, 17(2), 540-545.
8. Ji Yong Lee, Jieun Lee, Yu Jin Jang, Juyon Lee, Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Sang Soo Lee, Dong Ha Kim,* "Plasmonic nano-necklace arrays via reconstruction of diblock copolymer inverse micelle nanotemplates", Soft Matter 2011, 7(1), 57-60. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2010, 22(26), December 20
9. Yong Wang,* Michael Becker, Li Wang, Jinquan Liu, Roland Scholz, Juan Peng, Ulrich G?sele, Silke Christiansen, Dong Ha Kim,* Martin Steinhart,* "Nanostructured Gold Films for SERS by Block Copolymer-Templated Galvanic Displacement Reactions", Nano Lett. 2009, 9(6), 2384-2389.
10. King Hang Aaron Lau, Joona Bang, Dong Ha Kim,* Wolfgang Knoll,* "Self-Assembly Based Protein Nanoarrays on Block Copolymer Templates", Adv. Funct. Mater. 2008, 18(20), 3148-3157.

<장윤희 박사과정생> 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 이화여자대학교 화학나노과학과
 
2. 학력
  ○ 2008 : 국민대학교 학사 (화학)
  ○ 2010 : 이화여자대학교 석사 (나노소재과학)
  ○ 2010~ 현재 : 이화여자대학교 박사과정 (나노소재과학)
 
3. 주요연구내용
1. Yu Jin Jang,‡Yoon Hee Jang,‡Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Carbon/Metal Nanotubes with Tailored Order and Configuration by Direct Carbonization of Inverse Block Copolymer Micelles Inside Nanoporous Alumina", Chem. Commun. 2012, 48(4), 507-509. Back cover article
2. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Martin Steinhart, Dong Ha Kim,* "The fabrication of graphitic thin films with highly dispersed noble metal nanoparticles by direct carbonization of block copolymer inverse micelle templates", Carbon 2011, 49(6), 2120-2126.
3. Yoon Hee Jang, Seung Yoon Yang, Yu Jin Jang, Cheolmin Park, Jin Kon Kim, Dong Ha Kim,* "Ultra-high Density Arrays of Toroidal ZnO Nanostructures by One-Step Cooperative Self-Assembly Processes: Mechanism of Structural Evolution and Hybridization with Au Nanoparticles", Chem-Eur. J. 2011, 17(7), 2068-2076. Frontispiece article
4. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Min-Ah Cha, Yu Jin Jang, Ji Yong Lee, Jieun Lee, Juyon Lee, Jooyong Kim, Du Yeol Ryu, Dong Ha Kim,* "Synthesis and Photocatalytic Properties of Hierarchical Metal Nanoparticles/ZnO Thin Films Hetero Nanostructures Assisted by Diblock Copolymer Inverse Micellar Nanotemplates", J. Colloid Interf. Sci. 2010, 345(1), 125-130.


posted by 글쓴이 과학이야기

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