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■ 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.

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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)

<연구논문 영문 요약분>

Spatial arrangement of carbon nanotubes in TiO2 photoelectrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells               
 
Abstract
Three electrode structures with different spatial arrangements of carbon nanotubes (CNTs) in the mesoporous TiO2 layer were employed in dye-sensitized solar cells to study the effect of surface states at the interface formed by the incorporation of CNTs. It was found that the decay of open circuit voltage (Voc) was significantly minimized by avoiding the direct contact of nanotubes to the conducting substrate by introducing a thin buffer layer of TiO2 while maintaining the superior electron collection efficiency from the incorporation of nanotubes.


<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. ~ )


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2012. 2. 7. 11:33 대덕밸리과학소식/KAIST


반도체 회로의 초미세 제품개발 경쟁이 갈수록 치열해지고 있습니다.


그러나 현존 최첨단 반도체 기술로도 10㎚(나노미터) 이하의 반도체 제작은 불가능한데요.

기존 실리콘을 대체할 신물질을 이용한 차세대 반도체는 국가경쟁력 강화를 위해 반드시 풀어내야 할 숙제입니다.

특히 최근 광식각 패턴기술이 적용되던 반도체 회로의 크기가 물리적 한계에 도달하면서 이런 요구는 더욱 높아지고 있습니다.

이에 따라 생체소재를 이용해 초미세 회로을 제작하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있습니다.

이 중 DNA는 2㎚(나노미터)까지 정교한 미세패턴이 구현 가능해 차세대 신소재로 각광받고 있습니다.

2나노급 반도체가 개발되면 우표 크기의 메모리 반도체에 고화질 영화 1만 편을 저장하는 등 현재 상용중인 20나노급 반도체보다 약 100배나 많은 용량을 담을 수 있습니다.

□ KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀이 DNA를 그래핀 위에서 배열시키는 기술을 활용해 초미세 반도체 회로를 만들 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

이번 신기술 개발을 통해 기존에 사용되고 있는 물리적 방식의 최첨단 기술로도 불가능하다고 여겨졌던 2 ㎚(나노미터)급의 선폭을 갖는 반도체 개발이 가능해질 전망입니다.

연구팀은 'DNA 사슬접기'라고 불리는 최첨단 나노 구조제작 기술을 이용해 금속 나노입자나 또는 탄소나노튜브를 2㎚(나노미터) 까지 정밀하게 조절할 수 있는 점을 발견했습니다.

그러나 이 기술은 실리카나 운모 등 일부 제한된 특정 기판위에서만 패턴이 형성되기 때문에 반도체칩에는 적용이 불가능했습니다.

이에 김 교수팀은 다른 물질과 잘 달라붙지 않는 그래핀을 화학적으로 개질해 표면에 다양한 물질을 선택적으로 흡착하도록 만들었습니다.

DNA 들이 결합하면서 DNA 오리가미를 형성과 함께 그래핀 산화물 표면과 질소도핑/환원 그래핀 산화물 표면에 흡착되는 모습.

개질된 그래핀은 원자수준으로 매우 평탄하면서도 기계적으로 잘 휘거나 변형되는 그래핀의 장점을 갖고 있습니다.

이 위에 DNA 사슬접기를 패턴화할 경우 기존에는 불가능했던 잘 휘거나 접을 수 있는 형태의 DNA 회로구성이 가능할 전망입니다.

화학적으로 개질된 그래핀 위에서 형성된 직사각형 모형의 DNA 사슬접기 모양과 측정 사진



다양한 기능을 발휘하는 그래핀 소재 위에 2나노 급의 초미세 패턴을 구현할 수 있는 DNA 사슬접기를 배치시키는 기술은 기계적으로 유연한 나노반도체나 바이오센서 등 다양한 분야에 원천기술로 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 화학분야의 세계 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 1월호에 표지논문으로 발표됐으며 관련 기술은 국내외 특허출원을 마쳤습니다.

 

 용  어  설  명

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재

광식각 기술 :
빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술

DNA 사슬접기 :
긴 단일 DNA 사슬 하나와 정교하게 설계된 짧은 단일 DNA 사슬들이 염기 서열 규칙에 따라 이중나선 DNA 구조로 접히면서 다양한 모양의 나노구조물을 형성하는 생체소재. 
DNA는 염기서열에 따라 규칙적으로 결합되어 유전정보를 저장하는 생체소재이며, 2006년도에 최초로 개발된 DNA Origami (DNA 사슬접기)는 긴 DNA 사슬을 마치 뜨개질하듯 정밀하게 설계된 짧은 DNA 사슬들과 결합시켜 다양한 형태의 나노 구조물을 만드는 최첨단 나노기술이다.

탄소나노튜브 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재

나노 기술 :
1나노미터는 10억분의 1m다.
즉 사람 머리카락의 1만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려넣는 초미세 가공기술이다. 반도체는 회로선 폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다

 

 <보 충 설 명>

플레시 메모리의 회로 선폭에 대한 로드맵

2013년도에 10nm급 패턴 (16nm) 개발예정으로 되어 있고, 2011년 이후 현재 양산은 22nm 회로선폭으로 제작되고 있음을 나타냄

DNA사슬 형성과정

DNA 오리가미가 형성되는 과정을 모식도로 표현한 것이며 실제로 형성된 DNA 오리가미를 AFM 장비를 이용하여 그래핀 산화물 위에 잘 흡착되어 있는 것을 측정한 것임.


DNA 사슬접기가 그래핀에 흡착된 상태를 측정

DNA 사슬접기가 화학적으로 개질된 여러 종류의 그래핀에 따라 흡착된 상태를 AFM 장비를 이용하여 측정한 것이며 그것을 증명하기 위해서 XPS 장비를 사용하여 마그네슘 이온이 존재함을 확인한 자료 

A) 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인

B) 질소도핑/환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인

C) 환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인

D) 그래핀에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인


화학적으로 개질된 그래핀 위에 DNA 사슬접기를 흡착시킨 후에 DNA 사슬접기 내에 특정 위치의 DNA 사슬 단일 가닥과 CNT와 결합된 다른 DNA사슬 단일 가닥과 결합하면서 CNT의 흡착 위치를 제어하는 것을 표현

DNA 사슬접기는 긴 원형의 단일 DNA 사슬에 수백개의 짧은 DNA 단일 사슬들과 이중나선 구조를 형성하면서 긴 원형의 단일 DNA사슬이 포개지면서 형성하는 것으로 짧은 DNA 단일 사슬들 중에 CNT에 결합되어 있는 DNA사슬과 결합할 수 있는 특정 단일 DNA 사슬을 사용하므로써 CNT의 위치를 제어 할 수 있습니다.


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인공근육 소재는 강하고 유연하면서도 전기적 특성이 우수해야 합니다.

이를 위해 그래핀, 탄소나노튜브 등 기계적, 전기적 특성이 매우 우수한 나노물질이 고강도 나노복합소재 개발에 널리 사용되어왔습니다.

그러나 2차원 면구조로 된 그래핀을 결합하여 섬유 형태로 제조하는 것이 매우 어려워 주로 탄소나노튜브 기반의 인공근육 섬유 연구에 초점을 맞추어 왔습니다.

그러나 탄소나노튜브의 뛰어난 물리적 특성에도 불구하고, 섬유 제조 과정에서 탄소나노튜브들이 인력에 의해 서로 엉켜 탄소나노튜브 기반 섬유의 기계적 특성을 향상시키는데 한계가 있었습니다.

일부 연구팀은 이를 해결하기 위해 탄소나노튜브 섬유 제조 후에 엉킴을 강제로 풀어 추가적으로 배열하기 위한 후처리를 제시했습니다.

그러나 후처리 방법이 복잡해 기계적 물성을 향상시키기 위한 최적 조건을 찾는데 어려움이 따르고 있습니다.

□ 그래핀을 이용해 거미줄보다 6배, 방탄복 소제인 케블라보다는 12배 이상 우수한 기계적 특성을 갖는 인공근육 섬유가 개발됐습니다.

한양대 김선정 교수팀은 그래핀과 탄소나노튜브가 결합된 나노구조가 인공근육 섬유 제조 과정에서 스스로 배열하는 특성을 이용해 기계적 특성이 우수한 인공근육 신소재를 개발했습니다.

김 교수팀은 거미줄의 나노구조가 배열하는 원리인 생체모방 차원에서 아이디어를 얻어 그래핀과 탄소나노튜브를 물리적으로 결합시켜, 그 나노구조가 스스로 배열하는 특성을 이용하여 섬유제조 공정에서 추가적인 열처리 또는 인장 방법 없이 간단한 공정으로 섬유의 기계적 특성을 향상시켰고 대량생산도 가능하게 했습니다.

김 교수팀이 개발한 그래핀/탄소나노튜브 복합체 섬유는 기존 탄소 기반 섬유와 달리 고무 밴드에 바느질을 할 수 있는 질기고 유연함을 보이고, 고강도 스프링 형태로 만들어 질 수 있고, 외부 비틀림에 매우 강한 특성을 가지고 있습니다.  

이번에 개발한 새로운 그래핀 섬유는 인공근육 뿐만 아니라 센서, 액추에이터, 에너지 저장 등으로 활용될 수 있어 에너지 기반 산업에 크게 기여할 전망입니다.

FEATURED IMAGE 설명: 화학적 방법으로 제조된 그래핀(reduced graphene oxide)을 이용하여 강하고 매우 긴 그래핀 섬유가 개발되었다. 습식방사 방법으로 제조된 섬유는 배열된 그래핀이 서로 네트워크를 이루어 결합되어 있기 때문에 강하고 유연한 특성을 갖는다.



이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 Nature 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 2월 1일자로 게재되었습니다. 
(논문명: Synergistic toughening of composite fibres by self-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes)

신민균 박사와 이보미, 김시형, 이재아 학생이 인공근육 섬유 제조를 위해 함께 실험을 진행하고 있다.

 

인공근육 :
전기적 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 일상생활에 유용하게 이용할 수 있는 물질이나 액츄에이터(구동기).

그래핀 :
탄소원자들이 벌집 모양으로 결합하여 원자 하나 두께의 2차원 평면 구조로 된 나노소재

탄소나노튜브 :
단일벽 탄소나노튜브는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터(10억분의 1 미터) 크기의 미세한 원통형 분자.
탄소원자가 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소평면이 도르르 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다.

인성(toughness) :
단위부피당 물질이 부서지기 전까지 흡수할 수 있는 에너지로서 물질이 외부 힘에 견딜 수 있는 정도  

 

<연 구 개 요>

Synergistic toughening of composite fibres by self-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes M. K. Shin et al. (Nature Communications - 2012. 2. 1. 출판)

 강하고 가벼운 고분자 섬유는 자동차 복합소재뿐만 아니라 방탄조끼에 응용될 수 있기 때문에 섬유 개발 관련 연구가 지속적으로 수행되고 있다.
고분자 섬유에 탄소나노튜브를 첨가하여 고강도 나노복합소재를 만드는 것은 최근 주요 연구의 흐름이다.
또한, 탄소나노튜브 기반 복합소재는 일반적으로 전기적 특성이 향상되기 때문에 에너지 저장 소재, 센서, 구동기 등에 다양하게 응용될 수 있다.
따라서 복합소재의 응용 범위와 가치를 높이기 위해서는 재료가 외부 힘에 의해 파단할 때까지 흡수할 수 있는 최대 에너지, 즉 재료의 인성(toughness, 질긴 특성)을 향상시키는 것이 주요 해결 과제이다.
일반적으로 재료의 인성과 기계적 강도는 섬유 내부의 마이크로구조에 의해 영향을 크게 받는다.
따라서, 열처리 또는 기계적 후처리 등을 통해 마이크로구조를 적절히 디자인 하는 것은 재료 연구에 있어 매우 중요하다. 이러한 관점에서 매우 강하면서 질긴 탄소나노튜브/고분자 복합섬유 제조가 시도되었다.
특히, 복합섬유의 인성 및 기계적 강도 향상을 위해 탄소나노튜브와 고분자를 섬유의 축 방향으로 배열시키는 다양한 방법이 고안되었으나 탄소나노튜브가 서로 엉켜 풀기 힘든 성질 및 복잡한 섬유 제조 과정과 경제성 문제 때문에 최적의 복합섬유를 얻는데 많은 어려움이 있다.

본 연구팀은 기존 탄소나노튜브 기반의 복합섬유 제조 방법의 문제점을 해결하기 위해서 그래핀 기반의 복합섬유를 개발하였다.
구체적으로 그래핀과 단일벽탄소나노튜브를 물에 분산시켜 만든 용액을 고분자 용액 내에서 섬유 형태를 갖도록 방사하여 그래핀/탄소나노튜브/고분자로 구성된 나노복합섬유를 제조하였다.
제조 과정에서 그래핀과 탄소나노튜브의 강한 상호작용에 의해 결합된 그래핀/탄소나노튜브 나노구조가 스스로 배열하는 현상은 섬유 제조 후 별도의 후처리를 하지 않아도 섬유의 기계적 강도를 크게 증가시킬 수 있다.
특히, 그래핀과 탄소나노튜브가 1:1의 비율로 결합되었을 때 시너지 효과가 극대화 되어 가장 물성이 좋은 탄소 기반 복합섬유가 제조될 수 있음을 증명하였다.
그래핀/탄소나노튜브 복합체 섬유는 후처리를 하지 않고 단일벽탄소나노튜브 또는 그래핀만 사용하여 제조한 섬유에 비해 기계적 특성이 10배 이상 증가되었고, 자연계에 존재하는 강하고 유연한 거미줄 보다 인성이 6배 이상 증가하였다.
이번 그래핀/탄소나노튜브 복합소재는 기존 탄소 기반 섬유와 달리 강하면서 유연성이 매우 뛰어나 고무 밴드 및 옷감 등에서 바느질이 가능하기 때문에 휴대용 전자, 복합소재 산업에 크게 기여할 수 있다.
또한, 간단한 열처리를 통해 스프링 형태로 만들 수 있으며 이는 기존 탄소나노튜브 스프링에 비해 전단 계수(shear modulus)가 60배 이상 높아 마이크로크기의 직경을 갖는 고강도 스프링으로 사용될 수 있다.
나노복합체 신소재는 그래핀과 탄소나노튜브에 의한 우수한 전기전도성과 표면적 효과로 인해 에너지 저장 및 인공근육 소재로서 응용될 수 있다.

<김선정 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한양대학교 생체공학과      
  
2. 학력
   1994, 한양대학교 공업화학과 박사
 
3. 경력사항
   2006-현재, 생체인공근육 창의연구단장
   2005-현재, 한양대학교 공과대학 교수

4. 전문 분야 정보
- 교육과학기술부?한국연구재단 창의리더연구사업 연구책임자 (2006 - 현재)
- 생체인공근육 분야, 국제학술지(SCI) 141, 특허등록 12

5. 수상 경력
- 2010, 기초우수성과(교육과학기술부)
  - 2009, 최우수 교수상(한양대학교)
  - 2007, 국가연구개발 우수성과 100선(교육과학기술부)
  - 2007, 대표적 우수성과 50선(한국연구재단)
  - 2006, 대표적 우수성과 50선(한국연구재단)


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염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로, 실리콘 기반의 기존에 상용하는 태양전지와 비교하여 효율이 높고 제작이 간단하면서 경제적이며, 투명하게 제작할 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있어 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있습니다.

염료감응형 태양전지는 박막 증착공정 중에서는 화학증착법(CVD)이 가장 우수한 제조방법이지만, 박막을 증착할 때 고온(200℃ 이상)이 필요하고, 섬유나 종이와 같은 곳에는 증착할 수 없는 단점이 있었습니다.

차세대 태양전지인 염료감응형 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 방법을 충남대 연구팀이 개발했습니다.

충남대 윤순길 교수팀은 상온에서 탄소나노튜브에 나노클러스터 증착법(NCD)으로 나노복합체를 형성해 태양전지의 전기화학적 성능을 3배 이상 향상시켰습니다. 

나노 클러스터  증착법(NCD, Nano-Cluster Deposition)은 기존의 박막증착기술을 뛰어 넘는 신개념의 증착법으로, 윤 교수팀이 독자적으로 개발하여 한국과 미국의 특허 등록했습니다.

실제 박막증착에 활용되는 화학증착법 (CVD) 와는 다르게 showerhead에서 반응가스가 분해되고 반응하여 nano-cluster 들이 형성하게 하여 기판(substrate) 에 증착하게 함으로써 상온증착이 가능하게 하는 Nano-Cluster Deposition (NCD) 의 개요도

연구팀의 NCD를 이용하면 CVD의 장점에 저온(상온)에서도 증착할 수 있어 다양한 재료에 자유자재로 적용할 수 있습니다.

그동안 전 세계 연구자들은 나노복합체를 이용해 광 전기화학의 성능향상을 위해 꾸준히 연구해왔지만, 약 30%의 효율에 그쳤습니다.

그러나 이번 연구로 탄소나노튜브에 NCD법으로 나노복합체(산화티타늄과 산화인듐주석)를 적층하여 효율을 70%까지 획기적으로 향상시켰습니다.

이번 연구결과는 염료감응형 태양전지에 활용되어 에너지 생산효율을 크게 높일 뿐만 아니라 광 촉매제로도 사용되어 물로부터 수소와 산소를 생산하는 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials(IF: 10.857)'지에 온라인 속보(11월 7일)로 게재되었습니다. 
(논문명 : Enhanced Photoelectrochemical Activity of the TiO2/ITO Nanocomposites Grown onto Single-Walled Carbon Nanotubes at a Low Temperature by Nanocluster Deposition)
 용  어  설  명

TiO2/ITO/SWCNT 나노복합체 :
먼저 광에너지를 흡수하기 위해서는 단위부피당 면적이 많아야 한다.
그러기 위해서는 single-walled CNT(단일 층 카보 나노튜브)는 가느다란 실 같은 것들이 서로 얽혀있어 매우 많은 면적을 제공하며, 여기에 광 촉매제로 사용되는 TiO2 를 단차피복성이 좋은 화학증착법으로 증착하여 면적을 넓힐 수 있다.

그러나 TiO2 가 광을 흡수하여 전자를 생산하면 이들이 CNT 를 통과해야 하는데 TiO2 와 CNT 사이의 접촉에서 저항이 크므로 이를 낮추기 위해 저항성이 낮은, 전기전도도가 큰 ITO 전극을 사이에 적층하여 만든 복합체이다.
(a) CNT-ITO, CNT-ITO-TiO2 나노복합체의 결정성을 나타내는 X-ray 회절패턴,
(b) 카본나노튜브의 실제모습
(c) 카본나노튜브에 ITO 를 증착한 모습 
(d) 카본나노튜브에 ITO 와 TiO2 를 증착한 실제 모습

NCD (Nano-Cluster Deposition) :

보통 화학증착법과는 달리 보이는 showerhead 에 온도를 높여 (약 250-300oC: 일반적인 CVD 에서는 약 150oC 근방) 서 여기서 챔버로 들어온 반응기체들을 분해하고 반응시켜 얻고자하는 박막의 nanocluster (나노결정)을 형성하여 아래에 있는 기판위에 낮은 온도(상온도 가능)에서 결정화된 박막을 얻는 독창적 증착법 (한국 및 미국 특허 등록).

Photoconversion efficiency(광변환 효율) :  
밑 그림은 연구실에서 만들어진 TiO2/ITO/CNT 나노복합체들을 이용하여 형성된 소자를 이용하여 광 특성을 여러 가지 전해질 (electrolyte) 에 따라 광 변환 효율을 나타낸 것으로서, NaCl 용액의 경우에 최대 효율이 약 70% 가까이 나타냄을 알 수 있다. 지금까지 발표된 효율은 약 20% 내외인 것에 비교하면 약 3배 이상의 증가를 보여준다.

(a) 는 각 용액에 TiO2/ITO/CNT 나노복합체를 넣어 UV(ultra violet : 자외선) 을 쪼인 후에 전압에 따라 측정한 전류밀도,
(b) 는 각 용액에 따라    측정한 광변환 효율. 여기서 용액인 0.1mole NaCl (pH= 3.0) 의 경우에 광 변환효율이 약 70% 에 달함 (기존 발표된 것 보다 약 3배이상 달성),
(c) 사용된   각 용액들의 광흡수능력을 나타냄. 

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김선정 교수

굵기가 인간 머리카락의 10분의 1 수준이면서도 기존 인공근육보다 1000배 우수한 회전력을 가진 새로운 소재의 인공근육이 한양대 생체공학 김선정 교수와 신민국 박사가 참여하는 국제 나노연구팀에 의해 개발됐습니다.

연구팀이 개발한 '탄소나노튜브 인공근육'은 기존의 인공근육들이 가지고 있는 굽힘, 수축, 이완 기능에서 나아가 비틀림, 회전 운동까지 가능하도록 보완됐습니다.

쉽게 설명하면 마치 코끼리의 코와 문어의 다리가 나선형으로 회전 운동을 하는 것처럼 강하고 유연한 탄소나노튜브 실이 전기화학 에너지를 회전 운동 에너지로 변환시키는 형태입니다.

탄소나노튜브 인공근육 실에 패들(paddle)을 붙여 마이크로 액체 혼합 장치로서의 응용을 보여주는 모식도

이는 나선형으로 꼬인 탄소나노튜브 실이 전기화학적으로 충전이 일어나는 동안 다공성 인공근육 실의 부피 팽창이 일어나면서 회전 구동이 발생하는 원리를 이용한 것입니다.

이번에 개발된 탄소나노튜브 인공근육은 실 1mm만으로도 250도의 회전을 발생시키고, 가해지는 전압의 변화를 통해 회전력 방향 조절이 가능해 양방향 회전이 가능한 모터가 개발될 수 있게 됐습니다.

또한 기존의 인공근육보다 1000배나 우수한 단위 길이당 회전 성능을 자랑하며, 낮은 전압이 발생되는 소규모 전지만으로도 탄소나노튜브 섬유를 전기화학적으로 충전·방전하여 회전력을 만들어 낼 수 있습니다.

무엇보다 탄소나노튜브 인공근육은 일반적인 모터와 달리 적은 비용과 간단한 방법으로 작은 단위부터 큰 크기까지 다양하게 활용할 수 있다는 것이 큰 장점입니다.

일반 전기모터는 소형화, 경량화가 어렵지만, 탄소나노튜브 인공근육은 작게 제작해도 전기모터와 같은 성능을 발휘하고, 또 단위 무게당 출력도 상용화된 전기모터와 비슷해 소형화된 크기로 다양한 곳에서 활용할 수 있습니다.

뿐만 아니라 탄소나노튜브 섬유에 패들(paddle)을 붙이는 간단한 과정을 통해 마이크로 액체혼합장치 제작도 가능합니다.

이번 인공근육은 간단한 구동 원리, 큰 회전각, 높은 회전 속도 및 마이크로 크기의 실 직경 특성 등이 조합되어 마이크로 유체 펌프, 밸브 구동기나 믹서기 등의 응용에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있습니다.

이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지인 'Science'지 10월호(10월 14일)에 게재되었습니다.
     (논문명 : Torsional carbon nanotube artificial muscles)



 용  어  설  명

인공근육 :
전기적 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 일상생활에 유용하게 이용할 수 있는 물질 혹은 액추에이터(구동기)이다. 


탄소나노튜브 :
단일벽 탄소나노튜브는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터(1나노미터는 10억분의 1 미터) 크기의 미세한 원통형 분자이다. 탄소원자가 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소평면이 도르르 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다. 


탄소나노튜브 실(yarn) : 
직경이 10 나노미터인 다중벽 탄소나노튜브를 서로 꼬아 만든 길이가 매우 긴 실 형태이다. 탄소나노튜브 실은 매우 강하면서 유연하기 때문에 실제 사용되는 실처럼 매듭짓기, 꼬기, 바느질하기 등이 가능하다. 이 번 연구에서 사용된 탄소나노튜브 실은 직경이 15 마이크로미터 (1마이크로미터는 100만분의 1 미터)이다.


슈퍼커패시터 : 
배터리처럼 전기에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 장치 또는 물질이다. 배터리와 달리 빠른 충전 또는 방전이 가능하고 수명 또한 매우 길다. 이번 연구에서 사용된 탄소나노튜브 실은 전해질 속에서 전하의 충전 및 방전이 가능한 에너지 저장매체 이면서 전기화학적 에너지를 회전 구동에너지로 변환시킬 수 있는 인공근육으로 사용되었다.


전해질 :
소금물처럼 이온이 해리*되어 전류를 흐르게 하는 물질     

* 분자가 그 분자를 구성하고 있는 각각의 원자나 이온, 또는 보다 작은 분자들로 나누어지는 현상


마이크로 믹서(마이크로 액체 혼합 장치) :
서로 다른 종류의 유체를 채널 내에 소량 흘려 혼합시키는 장치로서 화학 또는 바이오 분석 등을 위해 사용되고 있다.

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<탄소나노튜브 실이란?> 

탄소나노튜브 실은 순수하게 탄소나노튜브로만 이루어져 있고, 반데르발스 힘(Van der Waals Force)에 의하여 탄소나노튜브가 연속적으로 결합해 여러 가닥의 다발로 형성된다.

실리콘 기판 위 탄소나노튜브 성장 시에 탄소나노튜브 밀도를 조절하는 방법으로 기판위에 수직 배양된 탄소나노튜브로부터 직접 탄소나노튜브 다발을 잡아당기면, 탄소나노튜브들 사이에 반데르발스 힘에 의해 실처럼 계속적으로 뽑혀 나온다.

탄소나노튜브 실은 높은 탄성과 철의 100배에 달하는 강도를 가지고 있어서 방탄복에 유용하고 뛰어난 전기 전도도와 열전도 물성 때문에 기능성 복합직물로도 활용이 가능합니다.

탄소나노튜브는 지난 2002년에 첫 등장했지만, 아직 세계적으로 상용화가 안 된 소재입니다.

남승훈 박사

처럼 고성능 방탄복과 항공우주 분야 등 첨단산업 소재로 사용되는 탄소나노튜브 실을 만드는 기술이 KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 남승훈 박사 연구팀에 의해 개발됐습니다.


연구팀은 실리콘 기판 위에 길이가 300㎛(마이크로미터)와 12㎚(나노미터) 굵기의 탄소나노튜브를 수직으로 배양시킨 후, 이로부터 여러 가닥의 탄소나노튜브를 다발로 형성시켜 실 모양으로 뽑아내는 방법으로 기존의 제조기법을 크게 개선시켰습니다.

탄소나노튜브 실의 굵기는 1마이크로미터 이하로, 연구팀은 1ⅹ1 ㎠  실리콘 기판 위에 수직 배양된 탄소나노튜브로부터 수십 m 이상 길이의 실을 만들 수 있도록 했습니다.

이번 개발된 기술로 가느다란 탄소나노튜브 실 여러 가닥을 한꺼번에 뽑아낼 수 있으며, 탄소나노튜브 실에 폴리머와 같은 물질을 쉽게 코팅할 수도 있습니다.

이 기술을 이용하면 향후 탄소섬유 방직산업에도 폭넓게 활용될 전망입니다.

금속 표면에 고전압을 가했을 때 전자가 튀어나오는 전계방출현상이 탄소나노튜브 실에서는 보다 낮은 전압에서도 나타나 산업적 활용도 기대됩니다.

이는 휴대용 X-ray 튜브나 전자총 등에 활용 할 수 있으며, 휴대용 초소형 비파괴검사 시스템에도 사용될 수 있습니다.

또 연구팀은 이번 연구를 통해 전자현미경을 이용해 전계방출 시 탄소나노튜브들 사이의 상호 반발에 의한 실 끝부분의 형태 변화를 실시간으로 촬영하는데도 성공했습니다.

이번 기술 개발로 탄소나노튜브를 실 형태 뿐만 아니라 시트 모양으로 균일하게 뽑아낼 수 있게 됨에 따라, 대면적 탄소나노튜브 필름의 대량제조도 예상되고 있습니다.

탄소나노튜브 시트는 유연성이 좋고, 투과율과 전기 전도도가 높아 앞으로 터치스크린 소재인 ITO((Indium Tin Oxide)필름을 대체할 수 있을 전망입니다.

또한 탄소나노튜브 시트 필름 양단에 직류 12V를 가하면 시트 필름 표면의 온도가 상승, 이를 이용한 자동차 유리 김서림 방지용 히터 등에eh 활용 가능합니다.

이번 연구는 국제학술지인 '카본(Carbon)'에 게재됐습니다.

탄소나노튜브 실


진공 속에서 전계방출 시 변화하는 탄소나노튜브 실 끝의 모양 변화


<연구개요> 

Ⅰ. 과제개요

 ○ 사업명 : 나노메카트로닉스기술개발사업(교육과학기술부 21세기 프론티어연구개발사업)

 ○ 과제명 : 나노 패턴손상 및 복합물성 측정기술 개발

 ○ 연구책임자 : 남승훈 박사(한국표준과학연구원)

 ○ 참여자 :  유권상 박사, 이윤희 박사, 백운봉 박사, 김용일 박사, 장훈식 박사, 조용재 박사, 제갈원 박사, 조현모 박사, 정인현 책임연구원, 박종서 선임기술원, 전상구 연구원, 박수영 연구원, 이정표 연구원(이상 한국표준과학연구원)

 ○ 연구기간(3단계) : 2008. 4~2012. 3

 ○ 주요 연구성과 : 국내외 논문 발표 및 게재(121건), 국내외 특허출원 및 등록(33건), 나노구조체 복합물성 측정기술 및 센서 개발 해외특허 출원(PCT/KR2011/000145), 탄소나노튜브 실 제조기술 연구성과 "Carbon Vol. 49" 표지 등재(2011. 1)


 용  어  설  명

 카본(Carbon)지(http://ees.elsevier.com/carbon/)
 : 네덜란드 Elsevier 출판사에서 출간되며, 탄소관련 소재기술의 전반적인 분야를 다루는 전문 학술저널. 2009년  Impact Factor 4.506인 저널로 소재분야의 가장 권위있는 학술 저널중 하나로 인정받고 있다

전계방출(Field emission)
: 금속의 표면에 강전계를 가했을 때 상온에서 생기는 전자 방출 현상.

 

탄소나노튜브 실의 전계방출 실험 장면

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2010. 12. 10. 03:00 대덕밸리과학소식/KAIST

유기태양전지는 반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하면서도 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴합니다.
또 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원입니다.

유기태양전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다.

그런데 효율이 문제였습니다.

유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮기 때문에 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송 특성을 향상시키려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔습니다.

이 가운데 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구됐는데요.

그러나 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했습니다.

이 같은 문제를 포함해 유기태양전지의 낮은 광변환 효율 등이 상용화에 걸림돌이 돼 이에 대한 성능향상이 시급히 요구돼 왔습니다.

이 같은 문제점을 우리나라 KAIST에서 해결했습니다.

김상욱 교수


KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했습니다.

 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써, 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%나 향상시켰습니다.

도핑된 탄소나노튜브가 적용된 유기태양전지의 구조 도식.(탄소나노튜브(까만 실같은 것)가 적용된 빨간 부분에서 광반응이 일어나서 전기에너지를 생산 할 수 있습니다.)

또 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여, 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했습니다.

이번 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대되고 있습니다.

이주민 연구원

유승협 교수













 용어설명

도핑 : 고순도로 된 물질의 전기적인 특성을 변화시키기 위해서 강제적으로 불순물을 고순도 물질내에 넣어주는 것. 이때 넣는 불순물을 도펀트라고  한다.

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