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투명전극(transparent electrode)은 빛 투과율이 높고 전기 전도성이 있는 박막으로, OLED, 평판 디스플레이, 태양전지의 필수 부품입니다.

투명전극 필름의 원료는 '제2의 희토류'로 불릴 정도로 희귀한 인듐이 사용됩니다.

인듐은 전기가 잘 통해 TV나 스마트폰에 쓰이는 투명전극 필름의 원재료로 현재 널리 사용 중입니다.

하지만 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않고, 그마저 항상 주석이나 납과 함께 존재하기 때문에 생산이 쉽지 않습니다.

게다가 인듐으로 만든 투명전극 '인듐주석산화물(ITO)'은 구부릴 경우 부서지기 때문에 휘어지는 디스플레이에는 적용하기 힘든 단점이 있습니다.

그럼에도 전자기기의 소재가 되는 희귀광물은 국가 간 외교분쟁의 원인이 될 만큼 중요한 전략 자원으로 구하기조차 힘든 실정입니다.

은을 이용한 나노와이어는 인듐의 대체물질로 상대적으로 생산공정이 쉬운데다 가늘고 긴 형태를 가져 투명함과 휘어지는 성질도 우수합니다.

하지만 은나노와이어를 대면적 디스플레이에 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 코팅하는 과정이 필요한데, 이를 기존 방식처럼 고분자로 코팅하면 표면이 두꺼워져 투명도와 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있었습니다.

성균관대 이효영 교수와 삼성전기 김운천 박사팀은  희소 금속인 인듐을 대체할 수 있는 은나노와이어(silver nanowire)에 산화그래핀으로 코팅, 안정성을 크게 높인 투명전극 원천기술을 개발했습니다.

산화그래핀으로 코팅된 은나노와이어는 유연한데다 저항성과 내구성이 강해, 향후 휘어지는 디스플레이와  태양전지 등의 개발에 크게 활용될 전망입니다.

연구팀은 은나노와이어를 단일 탄소층인 산화그래핀으로 코팅해 투명도는 떨어뜨리지 않으면서도 산화는 견딜 수 있도록 만들었습니다.

투명 전극 구조

연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 크게 높일 수 있다는 점을 주목했습니다.

산화그래핀/은나노와이어 필름의 표면 이미지로 은나노와이어 간의 유효 접촉점을 보여줌.

이를 통해 높은 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 2개월 이상 공기에 노출시켜도 산화되지 않는 특성이 생겼습니다.

이번 연구를 통해 인듐에 비해 공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은나노와이어와 산화그래핀을 이용할 수 있게 되어 향후 투명전극 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.


제조된 대면적 투명전극 필름 (100 × 50 cm2, 대각선 : ~44 인치)과 그 모식도

연구 결과는 네이처 자매지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 1월 23일자 온라인판에 게재되었습니다.
(논문명: 2D Graphene Oxide Nanosheets as an Adhesive Over-Coating Layer for Flexible Transparent Conductive Electrodes)

<연 구 개 요>

1. 서론

 휘어지는 전자기기에 대한 수요가 증가함에 따라 이에 적합한 트랜지스터, 발광다이오드, 투명전극체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 가운데 은나노와이어는 투명전극으로 광범위하게 적용되고 있는 인듐주석산화물(ITO)을 대체할 물질로 주목받고 있다.

  은나노와이어는 용액 공정에서 생산할 수 있어 공정이 비교적 쉽고, 대량생산이 가능하여 원가경쟁력을 갖는다.
뿐만 아니라 금속의 일종으로 소량으로 저저항을 구현할 수 있고 가늘고 긴 형태상의 특성으로 인해 기판이 휘어져도 깨어지지 않아 플랙서블을 지향하는 기기에 적용 가능하다.

  하지만 은나노와이어를 기반으로 하는 투명전극 제조에서 가장 큰 문제점은 산화 및 물리적 스트레스를 방지하기 위해 은나노와이어 위에 부가적인 코팅막이 필요하다는 것이다.
이때 코팅막에 따라 은나노와이어의 저항을 증가시키기도 하고 투명도를 낮추기도 하는데, 산소 작용기를 가진 산화그래핀을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있었다.

2. 본론
  본 연구에서는 절연성을 갖는 산화그래핀을 은나노와이어를 보호하는 코팅막으로 사용하여 공기 중에 2개월 이상 장기간 노출해도 특성이 전혀 변하지 않는 휘어지는 대면적 투명전극체를 제조하였다.
  산화그래핀은 단일층으로 이루어진 탄소 나노물질로써 높은 투과율과 함께 유기용매, 열, 빛, 가스(H2S)등에 내구성을 가져 보호층으로 사용하기에 적절하다. 뿐만 아니라 산화된 그래핀의 친수성 때문에 물에 잘 분산되어 친환경적이고 공정이 쉽고, 친수성 기판과 강하게 접착되어 투명전극의 안정성, 균일도 및 투과율을 높일 수 있다.
   친수성 기판과 강하게 결합된 산화그래핀은 은나노와이어를 효과적으로 잡아주는 역할을 하여 은나노와이어만을 적층한 투명전극보다 약 2배이상 저항을 낮춰주었고, 면저항의 균일도를 14배 증가시켰으며 헤이즈(Haze)와 투과율(Transmittance) 또한 향상시켰다.
또한 기계적 안정도를 측정하기 위한 휘어짐 테스트 결과, 기판이 휘어지는 동안 산화된 그래핀이 은나노와이어의 유효 접촉점이 떨어지는 것을 방지하여 저항변화 측면에서도 유효한 차이를 보였다.

3. 결론
  산화그래핀의 절연성, 친수성, 안정성 등의 고유 특성을 고려하여 친수성을 가지는 휘어지는 투명기판 위에 은나오와이어를 적층, 그 후 산화그래핀을 스프레이 코팅하여 안정하고 내구성이 좋은 투명전극을 시현해 보았다.
제조된 투명전극은 산화그래핀 막의 유무에 따라 공기 중에서의 저항 변화, 저항의 균일도, 필름의 투명도, 은을 부식시킬 수 있는 황화가스와 기타 용매에 대한 안정성, 물리적 스트레스에 대한 내구성을 비교 조사하였고 그 결과 각각의 항목에서 산화그래핀 보호막을 사용한 경우 전극의 질이 향상된 것을 관찰할 수 있었다. 

  또한 종래 사용되고 있는 아크릴 리신, PVA(Polyvinyalcohol), PEDOT:PSS, TiO2/PEDOT;PSS, Teflon, 은나노와이어/폴리머 복합체 등과 비교했을 때도 저항성과 내구성면에서 보다 나은 결과를 얻었다. 이처럼 공기 중에서 안정한 그래핀/은나노와이어 투명전극 개발을 통하여 향후 휘어지는 디스플레이, 접이식 터치 패널, 플랙서블 태양전지로 적용이 가능할 것으로 기대된다.


 용  어  설  명

그래핀(Graphene)
육각형 구조로 탄소와 탄소간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층을 말한다.
높은 전도성과 전하 이동도를 갖기에 응용  가능성이 매우 높은 물질이다.
이중 용액과정으로 만들어진 산화그래핀은 그래핀에 다양한 기능기가 붙은 산화된 형태를 말한다.  

 

그래핀의 격자구조 모식도


나노와이어(nanowire)
단면의 지름이 나노미터(1나노는 10억분의 1미터) 단위인 극미세선으로 금속성(Ni, Pt, Au 등)과 반도체(Si, InP, GaN, ZnO 등), 절연성(SiO2, TiO2 등) 등 많은 종류의 나노와이어가 존재한다.
은나노와이어의 경우 필름으로 제조하는 공정이 쉽고, 대량생산이 가  능할 뿐만 아니라 상대적으로 가격이 싸다.
또 나노와이어의 가늘고 긴  형태로 인해 투명하고 휘어져도 깨어지지 않아 휘어짐이 요구되는 투명  기기에 적합하다.

투명전극(transparent electrode)
광 투과성과 도전성이 있는 전극. 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리에 피복한 것이 사용된다.
생체 관련 물질의 산화-환
원 거동과 각종 재료의 일렉트로크로미즘 연구용, 태양전지와 액정표시 패널용 등에 불가결한 전극이다.  

<이효영 교수> 

1. 인적사항

소 속 : 성균관대학교 화학과

2. 학력

1997 University of Mississippi 유기화학 박사
1991 경희대학교 분석화학 석사
1989 경희대학교 화학 학사

3. 경력사항
2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학과 교수
2000 ~ 2009 : 책임연구원, 한국전자통신연구원 분자메모리소자팀(팀장)
1999 ~ 2000 : 선임연구원, 포항공과대학교 화학과, 지능초분자 연구단
1997 ~ 1999 : 박사후연구원, North Carolina State University, 화학과
1984 ~ 1986 : 육군 1군지사 (현역, 병장제대)   

4. 전문 분야 정보
- 분자전자 소재 및 소자
- 나노전자소자, 전자수송 현상
- 유기반도체 소재 및 소자 
- 유기전계발광 소재 및 소자
- 산화그래핀 소재 및 소자

5. 연구지원 정보
  2006 - 현재  교과부?연구재단 리더연구자지원사업[창의적 연구] 연구책임자

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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무한한 태양을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로,  특히 효율성이 높은 차세대 박막 태양전지 개발이 전세계으로 진행되고 있습니다.

그러나 지금까지 알려진 염료감응형 태양전지는 빛 흡수율이 낮고 초박막화가 어려워 효율을 높이는데 한계가 있었습니다.

최근 이를 해결하고자 빛을 잘 흡수하는 반도체 양자점을 이용해 효율 높은 박막 태양전지를 개발하려는 시도가 있지만, 지금까지는 최대 5~6%의 효율에 그치며 상용화에 미치지 못하고 있습니다.

■ 성균관대 박남규 교수팀이 유-무기물이 복합된 반도체 염료로 1/100만 m 이하의 얇은 산화물 전극을 이용해 광전변환 효율을 기존보다 두 배 이상 향상시킨 태양전지를 개발했습니다.

연구팀은 수 나노미터의 매우 작은 유무기하이브리드반도체 염료를 0.6 마이크로미터의 얇은이산화티타늄 필름에 흡착, 표준 태양광조건에서 세계 최고 효율인 9.7% 수준의 박막 태양전지를 개발했습니다.

박 교수팀이 개발한 양자점 감응 박막 태양전지는 페로브스카이트 염료를 스핀 코팅하여 1분 이내에 흡착할 수 있어, 12시간 이상 소요되는 유기염료에 비해 공정 시간이 단축되고, 또 높은 온도에서도 잘 견뎌 열 안정성도 보장됩니다

 또 페로브스카이트 염료를 이용한 박막 태양전지는 따로 보호막을 사용할 필요가 없어, 500시간 이상 대기 중에 노출되어도 효율이 일정하게 유지되는 등 장기 안정성에서도 탁월합니다.

(a) 고체 염료감응 태양전지 디바이스, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진.

페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛 세기에 따른 광전류 상관관계

염료감응형 태양전지에서 기존의 유기염료를 반도체 염료로 대체하면, 얇으면서도 효율이 높고 매우 저렴한 그리드패러티 차세대 태양전지를 개발할 수 있을 것으로 연구팀은 예상하고 있습니다.

이번 연구는 성균관대 박남규 교수가 주도하고 김희선 학생(제1저자)과 스위스 로잔공대 마이클 그랏첼 교수 등이 참여했습니다.

(오른쪽에서부터) 박남규 교수, 김희선 석박통합과정생(제1저자), 임정혁 박사과정생(공저자)

마이클 그랏첼(Michael Gratzel) 교수는 세계 최초로 염료감응형 태양전지(DSSC)를 개발한 사람입니다.

연구결과는 '네이처' 자매지인 'Nature Scientific Reports' 8월 21일자에 게재되었습니다.
(논문명: Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%) 
 

<연 구 개 요>
 
Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%
Hui-Seon Kim, Chang-Ryul Lee, Jeong-Hyeok Im, Ki-Beom Lee, Thomas Moehl, Arianna Marchioro, Soo-Jin Moon, Robin Humphry-Baker, Jun-Ho Yum, Jacques E. Moser, Michael Graetzel & Nam-Gyu Park (Nature Scientific Reports, 2012. 8. 21. 출판)


1. 연구 내용
 
염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 모방한 차세대 태양전지로, 광합성을 할 때 빛을 전자로 변환하는 엽록소라는 천연염료 대신 인공적으로 합성된 염료를 TiO2(이산화티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다.
염료감응 태양전지의 작동원리는 이산화티타늄 표면에 흡착된 염료는 태양빛을 받으면 전자를 발생시키고 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 전기에너지를 생성한다.
전기적 일을 마친 전자는 전해질 또는 홀전도체를 경유하여 다시 염료의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

염료감응 태양전지는 두 가지 형태로 제조될 수 있는데, 염료가 흡착된 이산화티타늄 광전극과 산화환원 전해질로 구성된 액체형 구조가 있고, 다른 형태는 액체 전해질 대신 고체 홀전도체로 구성된 고체형 구조가 있다.
액체전해질은 주로 요오드 물질을 이용하게 되며, 고체형 홀전도체는 스피로(spiro)라는 물질을 이용한다.
액체전해질형은 이산화티타늄 필름 두께가 10 마이크로미터 이상을 요구하는 반면, 고체형은 1-2 마이크로미터로 더 얇은 박막구조가 가능하다.
액체전해질은 전해질 누액이 문제가 될 수 있지만 고체형은 이런 문제가 없는 보다 안정적인 태양전지가 가능하다.
최근 연구는 장기 안정성 문제를 해결하면서 박막화로 낮은 제조단가가 가능한 고체형 연구에 많은 노력을 집중하고 있다. 

 
염료로 사용되는 물질로는 천연염료, 합성염료 등이 많이 사용되어 왔으며 주로 유기물질 (탄소, 수소, 산소, 질소로 이루어진 물질)로 구성되어 있다.
하지만 유기염료는 흡광계수 (빛을 흡수하는 정도)가 10,000-50,000 정도로 빛을 충분히 흡수하기 위해서는 이산화티타늄 두께가 10 마이크로미터 이상이 요구되는 반면, 무기물질 (주기율표에서 모든 원소)로 구성된 염료는 유기염료 보다 흡광계수가 10배 이상 높기 때문에 상대적으로 낮은 1-2 마이크로미터 두께의 이산화티타늄에서도 충분히 빛을 흡수할 수 있다.
이런 이유로 최근 고체형 박막 염료감응 태양전지에서는 무기물질을 나노크기의 양자점으로 이산화티타늄에 흡착하여 고효율화 연구에 주력하고 있다.    

고체형 염료감응 태양전지용 무기반도체 염료로는 주로 황을 포함하는 물질, 예를 들면 CdS, Sb2S3 등이 연구되어 왔으며, Sb2S3 물질을 이용하여 효율 6.3%가 지금까지 알려진 최고 수준이었다.
하지만 고체형 염료감응 태양전지의 실용화를 위해서는 5-6% 효율 보다 더 높은 효율의 재료 및 소자기술이 요구된다.  

 
본 연구에서는 페로브스카이트 구조를 갖는 (CH3NH3)PbI3 광흡수물질과 spiro-MeOTAD 홀전도체를 이용하여 표준 태양광 조건에서 9.7%의 고체형 염료감응 태양전지를 개발하였다.
페로브스카이트 광흡수염료를 약 0.6 마이크로터 두께의 나노기공크기의 다공성 이산화티타늄 필름에 스핀코팅 공정을 이용하여 2-3 나노미터 크기로 흡착한 후 홀전도체를 나노기공 안으로 완벽하게 스며들게 하여 고효율의 고체형 소자를 제작하는데 성공하였다.
특히 500 시간의 장기안정 테스트에서 제작된 고체형 염료감응 태양전지는 특별한 보호막 (encapsulation)을 사용하지 않은 상태에서도 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다. 

2. 연구 결과

(1) 고체형 염료감응 태양전지 제작:
그림 1에서와 같이 식각된 투명전도성 기판에 20 나노미터 크기의 이산화티타늄 입자를 스크린 인쇄 또는 필름캐스팅 방법을 이용하여 약 0.6-1.5 마이크로미터 두께로 코팅한 후 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료를 상온에서 스핀코팅법을 이용하여 이산화티타늄 입자 표면에 2-3 나노미터의 양자크기로 흡착한 후 spiro-MeOTAD 홀전도체를 적층하고 골드전극을 증착하여 제작하였다. 

그림 1. (a) 반도체 양자점 감응 고체 염료감응 태양전지 소자, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진

(2) 페로브스카이트 무기염료의 광흡수 특성:
이산화티타늄 나노입자 표면에 흡착된 페로브스카이트 무기염료는 분광학 분석기법을 이용하여 연구한 결과 밴드갭이 1.5 전자볼트로 가시광 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 구조를 가짐을 확인하였으며, 이산화티타늄과 홀전도체로 전자와 정공이 효과적으로 분리될 수 있도록 전도띠 (conduction band) 와 가전자띠 (valence band) 에너지를 가지고 있음도 확인하였다.

그림 2. 페로브스카이트 무기염료 (CH3NH3)PbI3 의 (a) 확산반사 분광스펙트럼, (b) Kubelka-Munk 형태로 전환한 스펙트럼, (c) (c) 자외선 광전자 스펙트럼 및 (d) 에너지 준위.


(3) 광전변화 특성:
그림 3에서와 같이 솔라시뮬레이터를 이용 표준조건에서 광전류 및 전압 곡선을 얻었으며, 0.6 마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름을 이용하여 광전류 17.6 mA/cm2 및 광전압 888 mV 성능의 효율 9.7%를 확인하였다.
파장에 따른 양자수율을 측정한 결과 300에서 800 나노미터 파장의 빛을 효율적으로 전자로 변환하는 것을 확인하였으며 빛 세기에 따른 실험에서 전하분리가 효율적으로 된다는 사실도 확인하였다.
특히 서브마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름에서 9.7% 효율은 세계최고 수준으로 평가되었다.     

그림 3. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛세기에 따른 광전류 상관관계


(4) 이산화티타늄 필름 두께에 따른 광전변환 특성:
그림 4는 이산화티타늄 두께에 따른 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 광전변환 특성을 보여주고 있다. 약 1 마이크로미터 이하의 두께에서는 평균 8% 이상의 효율을 가지며 1 마이크로미터 이상에서는 광전압의 감소로 인하여 효율이 7% 수준으로 감소함을 알 수 있다.
특히 1 마이크로 이하의 서브마이크로미터에서 효율이 증가함을 알 수 있으며 0.6 마이크로미터에서는 9% 이상의 고효율이 확인되었다. 

그림4. 이산화티타늄 필름두께에 따른 (a) 광전류, (b) 광전압, (c) 충진계수 (fill factor) 및 (d) 효율


(5) 펨토초 순간흡수 분광법을 이용한 효율적 전하분리 확인:
페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 빛 조사 하에서 페로브스카이트 무기염료에서 발생된 전하 (전자와 정공)가 어떻게 분리되는가를 알기 위해 펨토초 (1015분의 1) 순간흡수 분광스펙트럼을 연구한 결과 1 나노초 이내에서 여기된 페로브스카이트가 재생되며, 산화된 페로브스카이는 매우 빠른 속도로 홀전도체에 의하여 환원됨을 확인하였다.

그림 5. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료의 펨토초 순간흡수 스펙트럼 (a) (CH3NH3)PbI3/Al2O3 (b) (CH3NH3)PbI3/TiO2, (c) Spiro/(CH3NH3)PbI3/Al2O3 및 (d) Spiro/(CH3NH3)PbI3/TiO2.

(6) 장기안정성: 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 장기안정성을 조사한 결과 따로 보호막을 사용하지 않고도 500 시간동안 효율이 안정적으로 유기되는 것을 확인하였다 (그림 6)

그림6. (CH3NH3)PbI3 유무기하이브리드 반도체 염료 기반 고체형 박막태양전지의 장기안정성 테스트 결과

 

 용  어  설  명

유무기하이브리드반도체
유기물(탄소와 수소로 이루어진 물질)과 무기물(탄소, 수소 이외 원소로 이루어진 물질, 탄소 수소도 포함될 수 있음)이 복합된 반도체. 반도체는 일반적으로 무기물로만 구성 된다.

서브마이크로미터
1 마이크로미터 이하의 두께. 1 마이크로미터는 100만분의1 미터

흡광계수
빛을 흡수하는 정도를 나타내는 계수. 흡광계수가 높을수록 박막화가 가능

spiro-MeOTAD
홀전도체 물질로서 정확한 분자명칭은  2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)- 9,9'-spirobifluorene.

IPCE (incident photon-to-electron conversion efficiency)
파장에 따른 광자를 전자로 변환하는 양자효율.

페로브스카이트
ABO3 또는 ABX3 화학식을 갖는 결정. A 양이온은 산소 (O) 또는 할로겐원소 (X)와 12 배위를 하고 B 양이온은 6배위를 하는 결정구조.

양자점 감응 염료감응 태양전지 (Quantum Dot Sensitized Solar Cell)
유기염료(색소)를 대신 나노크기의 반도체 광흡수체를 이용하는 염료감응 태양전지. 양자점 광흡수체는 전해질에 취약하기 때문에 액체전해질 대신 spiro-MeOTAD와 같은 홀전도체를 이용할 경우 안정성 문제를 해결할 수 있다.      

양자점
나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정

광전변환 효율 
햇빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산함. 기존 반도체염료감응형 태양전지는 최대 5~6%의 효율을 나타냄

차세대 박막 태양전지
염료감응형 태양전지(염료 이용), 유기박막 태양전지(유기고분자와 풀러렌 이용) 등

표준 태양광조건
태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1㎠당 100 조건(1태양조건) 

 

<박남규 교수>(교신저자)

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 성균관대학교 화학공학부 교수

2. 학력
  ○ 1988 : 서울대학교  학사 (화학교육)
  ○ 1992 : 서울대학교 석사 (무기화학)
  ○ 1995 : 서울대학교 박사 (무기고체화학)
 
3. 경력사항
○ 1996 ~ 1997 : 프랑스 ICMCB-CNRS, Postdoc Fellow
○ 1997 ~ 1999 : National Renewable Energy Lab (NREL), Postdoc Fellow
○ 2000 ~ 2005 : 한국전자통신연구원, 책임연구원
○ 2005 ~ 2009 : 한국과학기술연구원 (KIST), 태양전지연구센터장
○ 2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학공학부, 교수
○ 2010 ~ 현재 : 교과부 연구재단 중견연구자(도약연구) 연구책임자

4. 수상실적
  ○ 이달의과학기술자상 (2008년, 교육과학기술부)
  ○ 경향전기에너지 국무총리상 (2008년, 경향신문)
  ○ 듀폰과학기술상 (2010년, 듀폰코리아)

5. 주요연구업적
1. "Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%", Nature Scientific Reports, 2012 (DOI: 10.1038/srep00591)
2. "Effects of Oxidation State and Crystallinity of Tungsten Oxide Interlayer on Photovoltaic Property in Bulk Hetero-Junction Solar Cell", J. Phys. Chem. C, 116, 13486 (2012)
3. "Improvement of mass transport of the [Co(bpy)3]II/III redox couple by controlling nanostructure of TiO2 films in dye-sensitized solar cells", Chem. Commun., 47, 12637 (2011)
* Detailed publication list can be found at http://ngplab.skku.edu

 

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p53 유전자는 세포의 이상증식을 억제하고 암세포 사멸을 촉진하는 유전자로, 항암 유전자라고도 불립니다.

현재까지 가장 강력한 암 억제 유전자로 알려진 p53을 타깃으로 암 치료제를 개발하려는 노력이 계속되고 있지만, 임상실험에서는 기대와 달리 효과가 거의 없었고, 또 부작용 등의 문제점이 나타났습니다.

이것은 p53을 조절하는 원리를 정확히 이해하지 못했기 때문으로, 최근 과학자들은 p53의 조절원리와 상호작용을 정확히 규명하기 위한 연구를 진행 중입니다.

PIMT의 발현에 따른 폐암 및 유방암 환자의 생존율을 보여 준다. PIMT의 발현이 많을 경우 생존율이 낮음을 알 수 있다.


성균관대 한정환 교수팀이 노화된 단백질을 회복시키는 효소로만 알려진 핌트(PIMT)가 암을 억제하는 역할을 하는 유전자(p53)의 기능을 억제해 암을 유발하거나 촉진한다는 사실을 밝혀냈습니다.

연구팀은 메칠화 효소인 핌트가 강력한 암 억제 기능을 지닌 p53을 감소시켜, 궁극적으로 암 발생을 촉진한다는 새로운 원리를 규명했습니다.

연구팀은 핌트의 발현이 증가한 여러 종류의 악성 암세포에서 p53이 감소되었음을 확인하였는데, 특히 핌트가 지나치게 발현된 암환자의 생존률이 그렇지 않은 환자에 비해 약 20% 낮다는 사실을 밝혀냈습니다.
 
특히 핌트가 p53을 메칠화시키고, 이를 통해 p53의 기능을 억제하여 암을 일으키는 암 유발 효소임이 처음으로 밝혀졌습니다.

이는 핌트가 p53을 메칠화시키고, 이 메칠화는 p53의 유비퀴틴화를 촉진함으로써, 결국 p53의 양을 감소시켜 암을 유발한다는 것입니다.


PIMT를 억제시켰을 경우 암 억제 단백질인 p53이 증가하며(좌측), 암세포의 성장이 억제됨(우측)을 보여준다.


PIMT 효소에 의하여 암 억제 단백질인 p53의 특정 잔기에 메칠화가 일어남을 의미한다.

연구팀은 핌트가 p53의 기능을 억제해 결국 암을 촉진한다는 이번 연구결과가 인간의 암세포에만 특이적으로 적용되는 원리라는 것도 확인했습니다.


PIMT에 의하여 암 억제 단백질과 p53의 결합이 조절됨을 의미하며(좌측), 이를 통하여 p53의 안정성이 영향 받음을 나타낸다(우측).

p53의 특정 잔기의 카복실 메칠화가 p53 단백질의 안정성에 핵심적인 역할을 함을 보여준다.



이번 연구는 한정환 교수가 주도하고, 이재철 박사와 하신원 학생이 참여했습니다.

연구결과는 네이처(Nature)의 자매지인 'Nature Communications' 6월 27일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Protein L-Isoaspartyl Methyltransferase regulates p53 Activity)

<연 구 개 요>

암은 국내에서 사망률 1위의 질환이며 세계적으로 그 치료를 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
현재까지 알려진 가장 강력한 암 억제인자인 p53을 타깃으로 암 치료제를 개발하려는 노력이 있었으나 이를 대상으로 실시한 임상 실험에서는 기대와는 달리 미미한 효과와 부작용 같은 문제점들이 대두되었다.
최근에는 이러한 문제점들이 p53을 조절하는 기전에 대한 이해 부족에서 기인하는 것으로 여겨지고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 p53의 조절 기전 및 상호작용에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있으며, 그에 대한 연구가 활발하게 진행 중 이다.
○ 본 연구에서는 p53의 단백질 양이 카르복실 메칠화 효소인 PIMT (Protein L-Isoaspartyl Methyltransferase)에 의하여 감소되는 현상을 확인하였다. 또한 PIMT에 의하여 p53의 기능 역시 현저하게 억제됨을 확인하였으며 PIMT가 과발현하고 있는 암환자의 생존률이 감소함을 관찰하였다.

○ 본 연구진은 일련의 실험을 통하여 PIMT에 의하여 p53이 카르복실 메칠화 됨을 확인하였으며 이러한 현상이 p53의 기능 조절에 연관됨을 밝혀내었다.


○ p53 단백질 양을 조절하는 인자인 HDM2는 p53과 결합하여 p53을 degradation 시키는 것으로 알려져 있다. 본 연구진은 PIMT가 p53의 카르복실 메칠화를 통하여 p53과 HDM2의 결함을 촉진시키고 결과적으로 p53을 감소시키는 것을 확인하였다.


○ 본 연구진은 이와 같은 결과를 통해 PIMT가 p53의 기능을 억제하여 암을 유발시키는 암 유발 단백질임을 최초로 규명하였다.


○ 현재, 암을 치료하기 위한 새로운 암 치료제 개발이 전 세계적으로 진행되고 있다. 특히 가장 강력한 암 억제 인자인 p53을 타깃으로 하는 암 치료제 개발을 위해서는 p53의 조절 기전에 대한 이해가 선행되어야할 과제로 남아 있다. 본 연구 결과는 PIMT에 의한 p53의 새로운 조절 기전을 제시하였으며 이는 p53을 대상으로 하는 암 치료제 개발 및 암 조절 기전연구의 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.



 용  어  설  명

카르복실 메칠화 (carboxyl methylation)
메칠화란 단백질의 전사 후 변형(post-translational modification)의 일종으로 특정 단백질의 특정 아미노산 잔기에 메칠기(CH3-)가 결합하는 현상을 의미함.
카르복실 메칠화는 아미노산의 카르복실 잔기(CHOO-)에 일어나는 메칠화로 일반적으로 많이 알려져 있는 lysine, arginine 메칠화에 비하여 그 연구가 미미 하였다. 본 연구에서는 이러한 카르복실 메칠화의 세포내 의미를 찾고 그 조절 기전을 분석하였다.

유비퀴틴화(ubiquitination) 
특정 단백질에 유비퀴틴(76개 아미노산으로 구성된 단백질로, 다른 단백질과 결합해 분해를 촉진함) 단백질이 결합하는 현상

Nature Communication
세계  최고 권위 Nature 자매지 중 최초의 online 저널로, multidisciplinary 분야에서 권위 있는 과학전문지

 

<한정환 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 성균관대학교 약학대학                 
               

2. 학력
  1978 - 1982  성균관대학교 약학대학 약학학사   
  1982 - 1984  성균관대학교 약학대학 약학석사  
  1987 - 1991  독일, Ruhr University Bochum, 이학박사
  
3. 경력사항
  1992 - 1992 독일, Ruhr University Bochum, Post-doc
  1992 - 1995 스위스, Friedrich Miescher Institute, Post-doc 
  1996 - 2006 성균관대학교 약학대학, 부교수
  1997 - 2006 경기의약연구센터, 연구기획간사
  2006 - 현재 성균관대학교 약학대학 교수
  2007 - 현재 성균관대학교 생명의약협동과정 책임교수
  2010 - 현재  교육과학기술부?한국연구재단 선도연구센터 (MRC, 에피지놈 제어 연구센터) 센터장

4. 전문 분야 정보
- 대한약학회 국제 협력위원장
- 암정복추진기획단 추진위원
- 대한약학회 국제 협력 위원장
- 중앙약사심의위원회 심의위원
  - 응용약물학회, 편집위원 
  - Archives of Pharmacal Research, 편집위원
- 한국분자생물학회 회원
- 저서: 리핀코드의 그림으로 보는 생화학, 약품생화학총정리 등

5. 주요 논문 업적
 - 1990년대 후반기부터 약 20년 동안 에피지놈 분야에서 활동하여 국제학술지(190편), 국내외학술회의(134여회) 발표를 하였음. 아래는 한정환 교수의 최근 주요 대표 논문업적 6편

1. Protein L-Isoaspartyl Methyltransferase regulates p53 Activity. Nat. Commun. Accepted (2012)
2. Myogenic transcriptional activation of MyoD mediated by replication-independent histone deposition. Proc Natl Acad Sci U S A. 108(1):85-90 (2011)
3. Depletion of embryonic stem cell signature by histone deacetylase inhibitor in NCCIT cells: involvement of Nanog suppression. Cancer Res. 69(14):5716-25 (2009)
4. Reversine increases the plasticity of lineage-committed cells toward neuroectodermal lineage. J Biol Chem. 284(5):2891-901 (2009)
5. Histone deacetylase inhibitor apicidin downregulates DNA methyl-transferase 1 expression and induces repressive histone modifications via recruitment of corepressor complex to promoter region in human cervix cancer cells. Oncogene. 27(10):1376-86 (2008)
6. Histone chaperones regulate histone exchange during transcription. EMBO J. 26(21):4467-74 (2007)

 

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현재 전 세계적으로 활발히 연구되고 상업화가 시도되고 있는 염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리를 이용한 태양전지입니다.

염료감응 태양전지(DDSC)는 유기염료와 나노기술을 이용해 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 것으로, 가격이 저렴하고 공정도 간단해 차세대 태양전지로 주목 받고 있습니다.

이는 기존 상용화된 실리콘 전지에 비해 제작방법이 간단하면서 경제적이고, 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있습니다.

그러나 휘발성이 높은 액체 전해질을 사용해야 하기 때문에 상업화에 큰 어려움이 따르는 실정입니다.

또 하나의 방식인 겔 전해질은 점도가 높아 태양전지 내 나노입자 사이로 침투되기 어려워 액체 전해질에 비해 성능이 좋지 않습니다.

이를 해결하기 위해 가교제를 포함한 액체 전해질을 먼저 태양전지에 주입하고 열이나 UV-광원을 이용해 이어주는 연구를 진행해왔지만, 공정이 복잡하고 남아있는 가교제가 태양전지의 전기수명을 떨어뜨리는 것으로 알려져 역시 실용화에 어려움이 있었습니다.

이 처럼 차세대 고효율 태양전지로 각광 받고 있는 염료감응 태양전지의 상용화에 가장 큰 문제점인 액체 겔 전해질 문제가 국내 연구진에 의해 해결됐습니다.

■ 성균관대 박종혁 교수팀은 자체 개발한 고분자 나노소재를 이용해 기존 액체 전해질의 문제점을 해결하면서도 성능은 동일하고 수명은 더욱 길어진 신개념 염료감응 태양전지용 전해질 개발에 성공했습니다.

박 교수팀은 입자크기가 똑같은 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 놓고 이를 선택적으로 부풀어 오르게 하거나(swelling) 용해하는 액체 전해질의 용매를 조절하여 기존의 액체나 겔 전해질의 단점을 극복한 신개념 전해질을 개발했습니다.

신규 겔전해질을 활용한 염료감응 태양전지의 제조 모식도

(a) PS 나노입자가 코팅된 상대전극 (b) 액체전해질이 주입된 후의 상태 (c) 겔화된 전해질을 제거한 후의 상대전극 표면 (d)액체전해질이 겔화된 상대전극 모습


연구팀이 개발한 고분자 나노소재를 이용한 염료감응 태양전지는 기존의 액체 전해질과 동일한 성능을 나타내면서도 수명이 더욱 길어진 것이 특징을 갖고 있습니다.

현재 국내외 특허 출원이 완료된 이번 연구결과는 향후 염료감응 태양전지 분야의 핵심기술이 될 전망입니다.

이번 연구는 성균관대 박종혁 교수가 주도하고, 이건석 석사(제1저자, LG화학기술연구원), 울산과기대 전용석 교수가 참여했습니다.

이번 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(4월 6일자)에 게재되었다.
(논문명: Controlled Dissolution of Polystyrene Nano-beads: Transition from Liquid Electrolyte to Gel electrolyte)

 

<연 구 개 요>

염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 통해 받은 태양광에너지를 전자의 흐름으로 만들어내어 자연현상을 모방하여 만들어진 차세대 태양전지이다.
단지 식물의 잎에서 광합성을 할 때 빛을 엽록소라는 천연염료가 흡수하는 반면, 염료감응 태양전지는 인공적으로 합성된 염료분자를 TiO2(이산화 티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다.
이산화 티타늄 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 반도체 산화물 전극에 태양빛이 조사되면 염료분자는 전자를 내놓게 되는데 이 전자가 외부 회로를 통하여 이동하면서 우리가 필요로 하는 최종적인 전기에너지를 생성한다.
전기적 일을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조공정이 단순하고 저가의 재료를 사용하기 때문에 전지의 가격이 실리콘 셀 가격의 20~30% 정도에 불과하다.
또한 기존 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다.
염료감응 태양전지의 셀 성능이 12%이상 보고되고 있어 장기 안정성만 보장된다면 태양전지의 저가화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다. 
 
최근 많은 국내외 기업들이 염료감응 태양전지의 장기 안정성 향상을 위해서 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 액체전해질의 높은 휘발성이 큰 문제로 작용하고 있다.
그동안 전해질을 겔화 시켜서 액체전해질의 증기압을 낮추려는 시도가 많이 있었다.
그러나 겔화된 전해질은 메조기공을 갖는 이산화 티타늄의 기공에 침투하지 못하는 특성으로 인하여 셀 성능이 기존 액체전해질 대비 떨어지는 단점이 있었다. 
  
본 연구에서는 균일한 입자 크기를 갖는 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 위치시키고 폴리스타이렌을 선택적으로 팽윤 및 용해시킬 수 있는 액체전해질의 용매를 조절하여 기존 겔형 전해질의 단점을 극복할 수 있는 신규 전해질을 개발하였다.
초기성능은 기존 액체전해질과 거의 동일하였으며, 약 3주가 지난후의 성능을 비교하였을 때 액체전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 비해서 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다.

 

 

 용  어  설  명


염료감응 태양전지 :
염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)는 염료감응 태양전지라고도 하며, 산화환원 전해질로 구성되어 있으며, 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지이다.
두 개의 전극과 그 사이를 채우고 있는 전해질로 구성이 된다. 광전극이라 불리는 전극은 투명전극 위에 염료분자가 흡착된 산화 이산화 티타늄 나노입자로 구성되어 있고 상대전극이라 불리는 전극은 백금이 코팅된 투명전극으로 구성된다.

폴리스타이렌 나노입자 (Polystyrene nanoparticles) :
유화중합을 통해서 합성되며 균일한 크기를 갖는 나노입자를 의미한다.
보통 입자의 크기는 약 100 nm ~ 1000 nm 까지 조절이 가능하며 주로 광학적인 특성을 제어할 목적으로 많이 활용이 되며, 최근에는 구형 입자나 나노구조체를 합성하기 위한 형판 (型板)으로 사용된다.

겔 (Gel) 전해질 :
화장품과 같은 생활용품에도 많이 활용되는 용어로서 점성이 있는 물질을 통상적으로 지칭한다. 흐름이 전혀 없는 고체와 흐름이 자유로운 액체의 중간 형태를 지칭한다.

나노 레터스(Nano Letters)誌 :
세계적 권위의 나노분야 대표과학전문지 (인용지수 impact factor 12.186)


 

<박종혁 교수>

1. 인적사항
○ 성      명 : 박종혁 (朴宗爀, 37세)
○ 소      속 : 성균관대학교 화학공학부, 성균나노과학기술원

2. 학력사항
○ 1999년 : 연세대학교 화학공학과 (학사)
○ 2001년 : 한국과학기술원 화학공학과 (석사)
○ 2004년 : 한국과학기술원 생명화학공학과 (박사)

3. 경력사항
○ 2004년 ~ 2005년 : University of Texas at Austin, Post.doc 
○ 2005년 ~ 2007년 : LG화학기술연구원 과장
○ 2007년 ~ 2008년 : ETRI 선임연구원
○ 2008년 ~ 현재: 성균관대학교 화학공학부/SAINT 조교수, 부교수

4. 주요연구업적
○ J. H. Park, S. Kim, A. J. Bard*, "Novel carbon-doped TiO2 nanotube arrays with high aspect ratios for efficient solar water splitting" Nano Letters 6, 24 (2006).
○ D. H. Wang, D. Y. Kim, K. W. Choi, J. H. Seo, S. H. Im, J. H. Jeon, J. H. Park*, O. O. Park*, A. J. Heeger*, "Enhancement of Donor-Acceptor Polymer Bulk Heterojunction Solar Cell Power Conversion Efficiencies by Addition of Au Nanoparticles" Angew. Chem. Int. Ed., 50, 5519 (2011).
○ D. H. Wang, J. S. Moon, J. H. Seo, J. Seifter, J. Jo, O. O. Park*, A. J. Heeger*, J. H. Park*, "Efficient Solution-Processible Bilayer/Bulk-Heterojunction Solar Cells: Comparison with Bulk-Heterojunction Solar Cells" Nano Letters, 11, 3163 (2011).
○ J. K. Kim, K. Shin, S. M. Cho, T. W. Lee, J. H. Park* "Synthesis of Transparent Mesoporous Tungsten Trioxide Films with Enhanced Photoelectrochemical Response and Transparency: Application to Unassisted Solar Water Splitting" Energy & Environmental Science, 4, 1465 (2011).



 

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현재 전 세계적으로 무기물 압전 반도체 물질 기반 압전 에너지 발전소자가 활발히 연구되고 있지만, 물질 내부에 존재하는 자유전자로 인해 압전 효율이 높지 못한 상황입니다.

에너지 효율을 기존보다 36배 가량 획기적으로 높인 압전 에너지 발전소자가 국내 연구진에 의해 구현됐습니다.

■ 성균관대 김상우 교수팀은 '유-무기물 하이브리드 구조'를 이용해 효율이 높은 압전 에너지 발전소자를 만드는데 성공하고, 구동 메커니즘을 규명했습니다.

김 교수팀은 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자를 효과적으로 제거하여 고효율의 압전 에너지 발전소자를 구현하고자, n형의 무기물 압전 반도체 물질(산화아연, ZnO)과 p형의 폴리머 물질(P3HT)을 나노구조로 제어·접합시켜, P3HT 내부에 존재하는 정공과 산화아연 내부에 존재하는 자유전자와의 결합을 유도하여 압전 효율을 크게 증가시켰습니다.

유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자는 무기물 압전 반도체만을 이용한 압전 에너지 발전소자보다 에너지 변환효율이 36배 이상 대폭 증가되었습니다.

이 결과를 바탕으로 연구팀은 배터리와 같이 외부의 전력공급원 없이 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자만으로 적색, 녹색, 청색 LED를 구현하는데 성공하여 차세대 에너지 기술 분야에서 획기적인 발전을 이룬 것으로 평가받고 있습니다.

이번 연구는 성균관대 김상우 교수가 주도하고, 이근영 박사과정생(제1저자), 최덕현 경희대 교수(공동교신저자), 종린 왕 조지아텍 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(3월 16일자)에 게재되었습니다. 
(논문명: P-Type Polymer-Hybridized High-Performance Piezoelectric Nanogenerators)

(왼쪽부터 시계방향으로) 성균관대 김상우 교수, 이주혁, 승완철, 김성균, 김도환 석사과정생, 이근영 박사과정생


 

 용  어  설  명

압전(壓電)에너지 발전소자 :
초음파, 미세진동, 혈류, 바람, 조류, 신체 움직임 등 주변 환경에 존재하는 기계적 에너지를 압전효과를 이용해 전기에너지로 변환시키는 소자.
초음파, 미세진동, 혈류, 바람, 조류, 신체 움직임 등 주변 환경에 존재하는 기계적 에너지를 압전효과를 이용하여 전기에너지로 변환하여주는 소자로서, 최근에는 압전소재의 나노화를 통하여 압전 효율을 대폭으로 향상시킬 수 있고 파괴 없이 큰 변형이 가능하여 기계적으로 매우 안정한 소자 제작이 가능하여 고효율의 에너지 발전소자를 구현할 수 있음.
자연 에너지만으로 전력을 발생할 수 있어서 차세대 그린 에너지장치로 활용이 가능함.
예로 신발 속에 초소형 압전 에너지 발전소자를 내장할 경우, 걷거나 뛸 때 생기는 운동에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있음.
또한 신체 내 혈류의 흐름에 의한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환이 가능하여 심박동 센서 등의 바이오메디컬 장비로도 응용이 가능함

n형 무기물 압전 반도체 :
전기 전도현상을 지배하는 주된 운반체가 정공(hole)이 아니라 전자(electron)인 무기물 압전 반도체

압전효과 (Piezoelectric Effect) :
○ 원자가 규칙적으로 정렬되어 있는 결정에 일정한 방향으로 압력을 가했을 때, 전기적 분극 현상이 유기되는 전기 유전적 특성. 즉 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용으로 압력이나 진동을 가하면 전기가 발생하고 전기를 흘려주면 진동이 발생하는 효과임

산화아연 (ZnO) :
아연산화물 형태로서 반도체 특성을 나타내며 자외선 영역의 고유한 발광을 할 수 있으며, 전기적 특성 제어를 통해 디스플레이 소자 및 태양전지의 투명전극 물질로 사용되고 있음. 또한 강한 압전 효과를 나타내어 최근 압전 에너지 발전소자 구현을 위한 압전 물질로서의 응용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있음

P3HT(poly-3-hexylthiophene) :
전도성 폴리머로 p-type 반도체 특성을 나타냄. 결정성이 높은 고분자로서 주로 유기물 태양전지 활성층의 donor 재료 및 광흡수 물질로서 널리 사용되고 있음

나노 레터스(Nano Letters)誌
세계적 권위의 나노분야 대표과학전문지 (인용지수 impact factor 12.186)


 

<연 구 개 요>


압전 에너지 발전소자는 기존의 태양전지, 풍력, 연료전지등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임과 같은 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 개념의 친환경에너지 발전소자로서 자연계에 존재하는 미소에너지원을 활용할 수 있는 장점이 있다. 

전 세계적으로 압전 에너지 발전소자의 출력 향상을 통해 차세대 에너지원으로서의 응용을 위한 실용화 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 낮은 출력을 나타내고 있다. 그 중 무기물 압전 반도체를 기반으로 한 압전 에너지 발전소자의 경우, 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자가 기계적 응력에 의해 발생되는 압전 포텐셜을 감소시켜 압전 효율이 감소하는 것으로 알려져 있다. 

이번 연구는 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자를 효과적으로 제거하여 고효율의 압전 에너지 발전소자를 구현하기 위한 효과적인 방법으로, n형의 무기물 압전 반도체 물질인 산화아연(ZnO)과 p형의 P3HT(Poly(3-hexylthiophene))를 나노구조로 제어·접합시켜, P3HT 내부에 존재하는 정공과 산화아연 내부에 존재하는 자유전자를 결합시켜 제거하고, 추가적으로 압전 포텐셜에 의한 유·무기물 계면에서 페르미준위(Fermi Level)의 변화를 유도하여 압전 효율을 크게 증가시켰다.
뿐만 아니라 출력향상을 위해 전도성 폴리머인 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)과 P3HT를 섞어 압전 포텐셜에 의해 추가적인 전하가 공급될 수 있도록 소자를 설계하여 압전 출력을 대폭 향상시켰다.
유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자는 기존 무기물 압전 반도체만을 이용한 압전 에너지 발전소자와 비교하여 0.068%의 기계적 응력 하에서 압전 전압 및 전류밀도가 각각 18배(1.45V), 3배(6.05μA/cm2)로 증가하였고, 에너지 변환효율이 0.5%에서 18%로 36배(0.88W/cm3) 이상 대폭 증가되었다.
이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 배터리와 같은 외부의 전력공급원 없이 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자만으로 적색, 녹색, 청색 발광다이오드(LED)를 구동시킴으로써 차세대 에너지 기술 분야에서 획기적인 결과를 거둔 것으로 평가받고 있다.


그림 1. n형 무기물 압전 반도체인 산화아연(ZnO) 기반 압전 에너지 발전소자의 구조(a) 및 에너지 발전 메커니즘(b), 측정된 압전 전압(c), 전류밀도(d)

 

그림 2. n형 무기물 압전 반도체인 산화아연(ZnO)과 P형 P3HT 기반 유·무기물 하이브리드 구조의 압전 에너지 발전소자의 구조(a) 및 에너지 발전 메커니즘(b), 측정된 압전 전압(c), 전류밀도(d)

 

그림 3. n형 산화아연과 P3HT:PCBM 기반 유·무기물 하이브리드 구조의 압전 에너지 발전소자의 구조 및 에너지 발전 메커니즘(a), 측정된 압전 전압(b), 전류밀도(c)

 

그림 4. 유·무기물 하이브리드 구조 기반 압전 에너지 발전소자의 직·병렬 연결에 통한 측정 전압(a), 전류밀도(b) 및 LED 적색, 녹색, 청색 발광다이오드(LED) 구동


<김상우 교수>

1. 인적사항

○ 성      명 : 김상우 (金湘祐, 40세)
○ 소      속 : 성균관대학교 신소재공학부, 성균나노과학기술원

2. 학력사항
○ 1998년 : 성균관대학교 금속공학과 (학사)
○ 2000년 : 광주과학기술원 신소재공학과 (석사)
○ 2004년 : Kyoto University 전자공학과 (박사)

3. 경력사항
○ 2004년 ~ 2005년 : University of Cambridge, Research Associate 
○ 2005년 ~ 2009년 : 금오공과대학교 전임강사, 조교수
○ 2009년 ~ 현  재 : 성균관대학교 신소재공학부 조교수, 부교수

4. 주요연구업적
○ "Large-Scale Synthesis of High-Quality Hexagonal Boron Nitiride Nanosheets for Large-Area Graphene Electronics", K. H. Lee, H. J. Shin, J. Y. Lee, I. Y. Lee, G. H. Kim, J. Y. Choi, and S.-W. Kim, Nano Lett., 12, 714 (2012)
○ "Controlled Growth of Semiconducting Nanowire, Nanowall, and Hybrid Nanostructures on Graphene for Piezoelectric Nanogenerators", B. Kumar, K. Y. Lee, H.-K. Park, S. J. Chae, Y. H. Lee, and S.-W. Kim, ACS Nano, 5, 4197 (2011)
○  "Sound-Driven Piezoelectric Nanowire-Based Nanogenerators", S. N. Cha, J.-S. Seo, Seong Min Kim, H. J. Kim, Y. J. Park, J. M. Kim, and S.-W. Kim, Adv. Mater., 22, 4726 (2010)
○  "Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrodes", D. Choi, M.-Y. Choi, W. M. Choi, H.-J. Shin, J.-S. Seo, J. Park, S.-M. Yoon, S. J. Chae, Y. H. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, and J. M. Kim, Adv. Mater., 22, 2187 (2010)
○ "Mechanically Powered Transparent Flexible Charge-Generating Nanodevices with Piezoelectric ZnO Nanorods", M.-Y. Choi, D. Choi, M.-J. Jin, I. Kim, S.-H. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, J. M. Kim, and S.-W. Kim, Adv. Mater., 21, 2185 (2009)

<최덕현 교수> 

1. 인적사항 

○ 성      명 : 최덕현 (崔德賢, 36세)
○ 소      속 : 경희대학교 기계공학과 조교수

2. 학력
○ 2000년 : 포항공과대학교 재료금속공학 (학사)
○ 2002년 : 포항공과대학교 기계공학과 (석사)
○ 2006년 : 포항공과대학교 기계공학과 (박사)

3. 경력사항
○ 2006년 ~ 2006년 : 포항공과대학교 시스템바이오다이나믹스 센터 박사후 연구원
○ 2007년 ~ 2008년 : University of California at Berkeley (UC-Berkeley), Bioengineering, Berkeley Sensor and Actuator Center (BSAC), Biomolecular Nanotechnology Center (BNC) 박사후 연구원
○ 2008년 ~ 2010년 : 삼성종합기술원, Flexible Electronics Group 전문연구원
○ 2010년 ~ 현  재 : 경희대학교 기계공학과 전임강사, 조교수

4. 주요연구내용
○ "Control of naturally coupled piezoelectric and photovoltaic properties for multi-type energy scavengers", D. Choi, K. Y. Lee, M. J. Jin, S. G. Ihn, S. Y. Yun, X. Bulliard, W. Choi, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J. Y. Choi, J. M. Kim, Z. L. Wang, Energy Environ. Sci., 4, 4607 (2011)
○  "Charge-Generating Mode Control in High-Performance Transparent Flexible Piezoelectric Nanogenerators", H.-K. Park, K. Y. Lee, J.-S. Seo, J.-A. Jeong, H.-K. Kim, D. Choi, and S.-W. Kim, Adv. Funct. Mater., 21, 1187 (2011)
○  "Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrodes", D. Choi, M.-Y. Choi, W. M. Choi, H.-J. Shin, J.-S. Seo, J. Park, S.-M. Yoon, S. J. Chae, Y. H. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, and J. M. Kim, Adv. Mater., 22, 2187 (2010)
○ "Self-organized Hexagonal Nanopore SERS", D. Choi, Y. Choi, S. Hong, T. Kang, and L. P. Lee, Small, 6, 1741 (2010)
○ "Additional Amplification of SERS via Optofluidic CD-based Platform", D. Choi, T. Kang, H. Cho, Y. Choi and L. P. Lee, Lab on a Chip, 9, 239 (2009)

<이근영 박사과정> 

1. 인적사항

○ 성      명 : 이근영 (李根永, 30세)
○ 소      속 : 성균관대학교 신소재공학부

2. 학력사항
○ 2009년 : 금오공과대학교 재료공학과 (학사)
○ 2011년 : 성균관대학교 신소재공학과 (석사)
○ 2011년 ~ 현  재 : 성균관대학교 신소재공학과 (박사과정)

3. 경력사항
○ 2011년 ~ 현  재 : 교육과학기술부, 한국연구재단 글로벌박사펠로우쉽(Global Ph.D. Fellowship) 선정·수행 중

4. 주요연구내용
○ "Controlled Growth of Semiconducting Nanowire, Nanowall, and Hybrid Nanostructures on Graphene for Piezoelectric Nanogenerators", B. Kumar, K. Y. Lee, H.-K. Park, S. J. Chae, Y. H. Lee, and S.-W. Kim, ACS Nano, 5, 4197 (2011)
○ "Control of naturally coupled piezoelectric and photovoltaic properties for multi-type energy scavengers", D. Choi, K. Y. Lee, M. J. Jin, S. G. Ihn, S. Y. Yun, X. Bulliard, W. Choi, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J. Y. Choi, J. M. Kim, Z. L. Wang, Energy Environ. Sci., 4, 4607 (2011)
○ "Charge-Generating Mode Control in High-Performance Transparent Flexible Piezoelectric Nanogenerators", H.-K. Park, K. Y. Lee, J.-S. Seo, J.-A. Jeong, H.-K. Kim, D. Choi, and S.-W. Kim, Adv. Funct. Mater., 21, 1187 (2011)
○ "Piezoelectric touch-sensible flexible hybrid energy harvesting nanoarchitecture", D. Choi, K. Y. Lee, K. H. Lee, E. S. Kim, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, and J. M. Kim, Nanotechnology. 21, 405503 (2010)

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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