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2004년 자연광물인 흑연에서 떼어낸 ㎛(100만분의 1미터) 크기의 그래핀 조각이 매우 우수한 물리적 전기적 특성을 지닌다는 사실이 발견되어 실리콘을 대체할 차세대 나노물질로 떠올랐으나, 이 방법으로 얻은 그래핀 조각은 크기가 너무 작고 모양이 불규칙하여 실생활에 직접 응용할 수 없었습니다. 
 
이런 가운데 2009년 화학기상증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)이라는 새로운 기법으로 금속기판 위에 ㎝ 크기의 그래핀을 합성할 수 있다는 사실이 실험적으로 증명되었고, 지난 2010년에는 넓은 면적(30인치)의 그래핀을 합성하여 투명전극으로 응용할 수 있음이 확인됐습니다.

그러나 CVD로 그래핀을 합성하려면, 먼저 1000℃에서 금속기판 위에 그래핀을 합성한 후 원하는 기판으로 전사하는 복잡한 공정이 필요했습니다.

이에 일부 연구팀에서는 롤투롤 공정으로 그래핀 전사의 문제점을 해결하고자 하였으나, 추가공정이 필요해 대량생산에 어려움이 따랐습니다.

상온에 가까운 저온에서 원하는 기판에 그래핀을 직접 합성하는 신기술이 개발됐습니다.


□ 울산과기대 권순용 교수팀은 지금까지 1000℃ 고온에서 금속기판에 그래핀을 합성한 후 그래핀을 떼어내 원하는 기판에 전사(轉寫)하는 한계를 극복해, 상온에 가까운 저온(200℃)에서 원하는 기판에 그래핀을 직접 합성하는 기술 개발에 성공했습니다.

권 교수팀은 상온에 가까운 저온에서 탄소원자가 스스로 금속표면 위에서 확산하고 벌집 모양의 원자간 결합하는 현상을 이용하여 그래핀을 대상기판 위에 형성하는 새로운 기술(DAS : Diffusion-Assisted Synthesis)을 개발했습니다.

이 방법을 이용하면 단단한 산화 실리콘 기판이나 유리, 플라스틱 등 어떠한 기판에서도 그래핀을 직접 만들 수 있는 장점이 있습니다.
 
연구팀이 개발한 DAS기술을 이용하면 그래핀의 결정립 크기도 자유자재로 조절할 수 있습니다.
    
'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀의 탁월한 물리적 전기적 특성들은 흑연에서 떼어낸 그래핀 조각처럼 결정립계가 거의 없는 단결정 탄소층에서 얻을 수 있는 것으로서, 인공적으로 합성된(CVD 등) 대면적 그래핀은 내부에 결정립계가 많아 물리적 전기적 특성이 현저히 떨어져 현재 활용하는데 한계가 있었습니다.
 
그러나 연구팀이 개발한 DAS기술은 그래핀의 물리적 전기적 특성을 조절하기 위한 그래핀의 결정립 크기 제어가 가능하다는 사실을 처음으로 보여준 의미 있는 결과로서, 추후 그래핀 내부에 존재하는 주요 결함 원인인 결정립계를 줄일 수 있는 가능성을 제시한 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.

160 oC 에서 SiO2/Si 기판상에 직접 합성한 그래핀의 SEM 이미지

DAS법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 다결정 금속박막의 결정립계를 따라 탄소원자가 자발확산하여 대상기판에 그래핀을 형성하고 있다.



이번 연구는 권순용 교수가 주도하고 곽진성 박사과정생(제1저자), 김성엽 교수, 박기복 교수(이상 울산과기대)와 서울대 김영운 교수, 윤의준 교수, 수닐 코담바카 교수(미 UCLA) 등이 참여했습니다.

연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 '네이처'의 자매지인 'Nature Communications'지에 1월 24일자로 게재되었습니다. 
(논문명: Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films)

권순용, 김성엽, 박기복 (아래줄 왼편 두 번째부터 차례로) 교수와 곽진성 (윗줄 왼편 두 번째) 연구원을 포함한 UNIST 연구팀

 

 용  어  설  명

그래핀 : 
그래핀은 탄소원자가 육각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 한 층으로 구성된 인공 나노 물질로서 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등의 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이와 차세대 반도체 소재로 주목받는 꿈의 신소재이다.

결정립(結晶粒) :
하나의 결정체. 금속 재료에 있어서, 현미경적인 크기의 불규칙한 형상의 집합으로 되어 있는 결정 입자

결정립계(結晶粒界) :
결정립과 결정립과의 경계

단결정(單結晶) :
전체를 통하여 고르고 규칙적으로 연결된 단 하나의 결정 

다결정(多結晶) :
다수의 미세한 결정립이 여러 가지 방위를 지니고 집합하여 된 결정. 천연적인 결정질 물체의 대부분이 이에 속함

<연 구 개 요>

Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films
J. Kwak et al. (Nature Communications - 2012. 1.24. 출판)

그래핀은 탄소원자가 육각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 한 층으로 구성된 인공 나노 물질로서 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이와 차세대 반도체 소재로 주목받는 꿈의 신소재이다.
최초의 그래핀은 기계적 박리법을 통해 얻어낸 마이크로미터 수준의 그래핀 조각들로서 상기 언급한 바와 유사한 우수한 물성을 지니나, 매번 불균일한 모양과 특성을 갖고 크기가 매우 작아 실생활에의 응용이 불가하다.
이를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용한 대면적 그래핀 합성법이 개발되었다. 하지만 탄소원인 탄화가스의 효율적인 분해를 위해서는 1,000 이상의 고온 공정이 필요하고, 금속기판 위에 그래핀을 성장한 후 소자에의 적용을 위하여 반도체 및 부도체 기판으로의 그래핀의 전사 공정이 필요하게 된다.
이러한 전사 공정시 그래핀의 구겨짐, 찢어짐 등의 결함이 발생하는 등의 어려움은 물론 양산시 대면적화에 있어 극복해야할 난제가 산적해 있는 상태이다.  
  
본 연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위하여 DAS(Diffusion-Assisted Synthesis)법을 개발하였다.
DAS법에서는 반도체 및 부도체 기판에 미리 형성한 다결정 금속박막의 결정립계를 통한 탄소원자의 농도구배 차이에 의한 자발확산 현상을 이용한다.
'탄소재료-금속박막/기판'으로 이루어진 확산 쌍을 특수재질로 제작된 지그에 고정시키고 ~1 MPa 정도의 압력을 가하여 전기로에서 다양한 분위기하에서 가열함으로써, 금속박막의 결정립계를 통해 자발확산된 탄소원자는 금속박막/대상기판 계면에서 탄소원자의 확산현상에 의해 그래핀을 형성하게 된다.
본 연구팀의 전산모사 결과에 의하면 상온에서도 그래핀 위의 탄소원자들이 대략 200 /sec 이상 확산 과정을 겪게 되어 상온에 가까운 저온에서도 안정상인 그래핀을 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
대상기판으로는 단단한 산화 실리콘 기판 (SiO2/Si) 및 유리뿐 아니라 가요성을 갖는 플라스틱 기판 (PMMA, PDMS) 등이 사용되었고 이들 대상기판에서 기판 종류에 따른 그래핀 성장 메커니즘에 관한 연구를 통해, 200 이하의 저온에서 성장온도, 성장시간, 중간 금속박막층의 형성조건 등에 따른 센티미터 수준의 그래핀을 얻을 수 있었다. 
이와 더불어 DAS 기술을 이용하면 대상기판에 형성한 금속박막의 결정립계 크기를 미리 조절함으로써 추후 형성되는 그래핀의 결정립 크기를 조절할 수 있음을 확인하였다.
인공 합성된 대면적 그래핀의 경우 내부에 존재하는 다수의 결정립계로 인해 물리적, 전기적 특성이 이론치에 비해 현저히 떨어지게 되어 현시점에서 이의 활용분야가 제한되나, DAS법을 활용하게 되면 추후 그래핀 내부에 존재하는 주요 결함원인 결정립계를 줄일 수 있게 되어 차세대 그래핀 산업의 핵심기술이 될 것으로 기대된다.

<권순용 교수>

1. 인적사항                          
 ○ 성 명 : 권순용(35세)                             
 ○ 소 속 : UNIST 기계신소재공학부
 
2. 학력사항
  1995.3 - 1999.2  서울대학교 재료공학부 학사   
  1999.3 - 2001.2 서울대학교 재료공학부 석사  
  2001.3 - 2005.8 서울대학교 재료공학부 박사 
    
3. 경력사항 
  2005.12 - 2007.5   예일대학교 전자공학과 박사후연구원
  2007.6 - 2008.9    UCLA 재료공학과 박사후연구원
  2008.11 - 현재     UNIST 기계신소재공학부 조교수

4. 주요성과 
1. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, S.-D. Park, H. Go, S.Y. Kim, K. Park, S.-D. Kim, Y.-W. Kim, E. Yoon, S. Kodambaka, S.-Y. Kwon*, "Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films", Nature Communications, 3, 645 (2012).
2. S.-Y. Kwon, C. V. Ciobanu, V. Petrova, V. B. Shenoy, J. Bareno, V. Gambin, I. Petrov, S. Kodambaka*, "Growth of semiconducting graphene on palladium", Nano Letters 9(12) 3985-3990 (2009)
3. S.-Y. Kwon*, S.Y. Kim, K. Park. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, "Graphene sheet, transparent electrode, active layer including the same, display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode or active layer", PCT/KR2011/005438
4. S.-Y. Kwon*, K. Park, E. Yoon, J. Kwak,"Method for manufacturing graphene, transparent electrode and active layer comprising the same, and display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode and the active layer", PCT/KR2011/001092

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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실리콘 태양전지는 차세대 에너지원으로 각광 받고 있습니다.

이 가운데 단결정 실리콘 태양전지는 결정성이 높아 물질 내 결함이 적어 비정질 실리콘 태양전지에 비해 전기적 특성이 우수한 장점이 있습니다.

그러나 단결정 실리콘은 빛을 흡수하는 능력이 떨어져 모든 태양광을 흡수하기 위해서는 실리콘 밴드의 두께가 두꺼워야 하므로(수 백 ㎛ 이상) 비경제적입니다.

나노선을 활용한 태양전지는 화학증기증착법(CVD)으로 나노선을 합성하므로, 다양한 물질을 손쉽게 제조할 수 있는 장점이 있습니다.

그러나 결정성도 높고 매끄러운 단결정 실리콘 나노선 태양전지를 개발하는 것은 난제 중의 하나입니다.

□ 실리콘 나노선을 이용해 태양광을 전기로 변환시키는 고효율 태양전지가 개발됐습니다.

고려대 박홍규 교수팀은 단결정 실리콘으로 이루어진 나노선을 화학적 방법으로 대량 합성하고, 이 나노선으로 태양전지를 제작하여 기존 나노선 태양전지보다 2배 이상 높은 효율(6% 이상)을 갖는 나노크기의 태양전지를 개발했습니다.

이 태양전지는 단결정 실리콘 나노선을 이용해 두께가 기존보다 100배나 얇은 300㎚(나노미터)에 불과합니다.

또 나노선 태양전지는 실리콘의 결정면을 따라 정육각형의 단면을 유지하고, 표면도 매끄럽습니다.

이번에 박 교수팀이 합성한 단결정 실리콘 나노선은 현재까지 개발된 나노선 태양전지 중에서 가장 우수한 전기적 특성을 지니고 있어, 산업체에서 개발하고 있는 박막형 태양전지와 견주어도 동등한 수준입니다.

박 교수팀이 개발한 단결정 실리콘 나노선 태양전지는 나노선 고유의 특성인 공명을 이용해 태양광의 수집 효율을 2배 이상 끌어올렸습니다.  

(위) 제작된 실리콘 나노선 태양전지의 전자현미경 사진. (아래) 실리콘 나노선 태양전지의 빛의 파장별 흡수 스펙트럼과 계산된 흡수 이미지 (내삽).



□ 지금까지 단결정 실리콘의 낮은 흡수율은 효율 저하의 원인으로 지적되어 왔습니다.

그러나 이번에 합성한 실리콘 나노선은 빛의 파장보다 작은 크기의 구조체로, 기존의 평면구조와는 다른 특성을 나타냅니다.

실리콘 나노선의 경우 특정 파장에서 입사되는 빛이 표면에서 반사되지 않고 대부분 흡수됩니다.

이러한 공명현상으로 실리콘 나노선 태양전지는 같은 두께의 박막형 실리콘 태양전지에 비해 2배 이상 전류밀도가 높습니다. 

아울러 박 교수팀은 합성된 실리콘 나노선은 특정 파장에서 입사한 태양광이 반사 없이 나노선 내부로 모두 흡수된다는 사실을 실험과 계산으로 입증했습니다.

이번 연구는 고려대 박홍규 교수(교신저자)와 김선경 박사, 미국 하버드대 찰스 리버 교수팀과 공동으로 진행됐습니다.

연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 '미국국립과학원회보(PNAS)'에 1월 19일자로 게재되었습니다. 
(논문명: Coaxial multishell nanowires with high-quality electronic interfacesand tunable optical cavities for ultrathin photovoltaics)

고려대 박홍규 교수(왼쪽), 김선경 박사(오른쪽), 송경덕 학생(가운데)이 태양전지의 전류-전압 특성을 측정하고 있다

 

 

 용  어  설  명

나노선(nanowire) :
수 십~수 백 나노미터의 굵기를 가지며 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체

화학 증기 증착(chemical vapor deposition) :
기판 위에 촉매에 해당하는 금속 물질(주로 금을 사용)을 배열한 뒤, 고온의 튜브 내에 반도체 물질을 구성하는 기체를 주입하면 촉매 주위로 결정성을 가진 반도체 물질이 성장되는 방식.

개방전압(open-circuit voltage) :
태양전지 양 극단에 추가적인 전류를 주입하지 않을 때 걸리는 전위차. 이상적인 개방전압의 최대치는 해당 반도체 물질의 밴드갭 에너지와 동일하며, 개방전압이 높을수록 태양전지의 효율이 증가한다.

누설전류(leakage current) :
반도체 접합 부분 외의 영역을 따라 이동하는 전류로 물질의 불순물이 높을수록 누설전류의 양이 증가한다.

공명(resonance) :
빛이 특정 모양을 가진 구조체 내에 입사되었을 때, 그 구조체 내에서 빛이 진행 또는 반사하며 특정 파장을 가진 빛이 증폭되는 현상.

비정질(非晶質) :
원자배열의 규칙성이 거의 없는 상태

CVD :
기판 위에 촉매에 해당하는 금속 물질(주로 금)을 배열한 뒤, 고온의 튜브 내에 반도체 물질을 구성하는 기체를 주입하면 촉매 주위로 결정성을 가진 반도체 물질이 성장되는 방식

<연 구 개 요>

Coaxial multishell nanowires with high-quality electronic interfaces and tunable optical cavities for ultrathin photovoltaics
T.J. Kempa et al. (Proc. Natl. Acad. Sci. USA - 2012. 1. 19 출판)

미래의 대체 에너지원으로 각광을 받고 있는 실리콘 태양전지는 재료비 대비 고효율 소자 제작이 현재의 가장 큰 관심사이다.
이를 위한 주요 과제들로 고품위의 물질 구현을 통한 전기적 특성 향상 및 광 수집 효율 증대 방안 등을 들 수 있다.
  Bottom-up 방식의 실리콘 나노선 태양전지는 일반적인 식각 과정이 불필요하므로 재료를 근본적으로 절감할 수 있으며, 합성 과정 중에 물질의 치환이 용이해 다양한 기능의 소자를 구현할 수 있다.
하지만 지금까지의 실리콘 나노선 연구는 고품위 실리콘 재현의 어려움으로 인해 고효율 태양전지 소자 실현이 사실상 불가능하였다.
  본 연구에서는 화학적 증기 증착(CVD) 방식을 통해 육각기둥 형태의 고품위 단결정 실리콘 나노선을 성장하고, 성장 과정 중에 내부 코어, 중간 껍질, 외곽 껍질 층에 각기 다른 dopant를 적용한 p-i-n형의 단일 나노선 태양전지 구현에 성공하였다.

본 연구에서 개발된 실리콘 나노선의 물질 특성을 조사하기 위해 투과전자현미경을 이용한 나노선 단면 촬영 및 격자 구조 분석을 실시하였으며, 이를 통해 성장된 나노선이 고품위의 단결정 실리콘 재질로 구성되어 있음을 확인하였다.
또한, 성분 분석 장치를 통해 나노선 내부의 코어 및 각 껍질 층이 성장 과정 중에 의도했던 dopant로 채워져 있음을 증명하였다.
  실리콘 나노선은 외곽 껍질의 일부분을 식각하여 코어 부분을 드러내고, 코어가 드러나지 않은 외곽 껍질과 내부 코어 각각에 n형 및 p형 전극을 올리게 되면 태양전지 소자로서 작동하게 된다.
제작된 단결정 실리콘 나노선 태양전지 소자의 I-V 특성 측정 결과 0.5 V의 개방전압 및 1 fA 이하의 누설 전류 특성을 기록하였다. 이는 현재까지 보고된 나노선 태양전지 소자 중에서 최고의 값이며, 범위를 산업에서 개발하고 있는 박막형 실리콘 태양전지로 확장하더라도 동등한 수준에 근접한 것이다.
  단결정 실리콘은 낮은 물질 흡수로 인해 본질적으로 전류 밀도가 작다는 단점이 있다. 하지만 본 연구의 실리콘 나노선은 크기가 약 300 nm에 불과함에도 그 자체로 미세 공진기로서 작동할 수 있으며, 공진기 내에 존재하는 공진 모드와 입사하는 태양광 사이의 강한 상호 작용을 통해 높은 광 수집 효율을 기대할 수 있다.
본 연구에서는 스펙트럼 분석 및 전자기 계산을 통해 나노선 내부에 존재하는 공진 모드의 존재를 입증하였으며, 실제로 실리콘 나노선은 같은 두께의 박막형 구조에 비해 약 2배 이상 증가한 전류 밀도를 기록하였다.     
  본 연구에서는 실리콘 나노선 소자의 추가적인 전류 밀도 향상을 위해 나노선을 수직 방향으로 두 층까지 쌓는 것에 성공하였으며, 이를 통해 약 25 mA/cm2의 전류 밀도를 기록할 수 있었다.
전자기 계산에 의하면 동일 방식을 통해 1 μm 두께까지 나노선을 적재하였을 때 약 13%의 효율이 예상되며, 이는 현재 개발되고 있는 박막형 태양 전지 소자의 수준을 훨씬 뛰어넘는 것이다.
  실리콘 나노선을 이용한 태양전지 개발은 CVD 방식을 통해 개별 나노선을 이루는 물질을 자유롭게 조작할 수 있다는 장점과 더불어 빛의 파장보다 작은 크기의 공진기가 가지고 있는 고유한 공진 모드 특성으로 인해 향후에도 활발한 연구가 이어질 전망이다.

<박홍규 교수> 

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과
 
2. 학력
  1994 - 1998 KAIST 물리학과 학사   
  1998 - 2000 KAIST 물리학과 석사  
  2000 - 2004 KAIST 물리학과 박사 
    
3. 경력사항 
  2004 - 2005   KAIST 물리학과 박사후연구원
  2005 - 2007   하버드대학교 화학과 박사후연구원
  2007 - 현재   고려대학교 물리학과 부교수
  2009 - 현재   교육과학기술부?한국연구재단 지정 창의연구단장

posted by 글쓴이 과학이야기

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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. 

posted by 글쓴이 과학이야기

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2011. 11. 29. 04:00 대덕밸리과학소식/KAIST

그래핀은 흑연(그래파이트)의 한 층 한 층을 이루는 얇은 막이 박리된 상태를 의미하며, 탄소 원자가 육각형의 규칙적인 평면 구조를 이루고 있습니다.
그래핀의 한 층은 매우 투명하고 높은 전기전도도를 보이기 때문에, 특히 현재 급격한 가격 상승을 보이는 Indium Tin Oxide(ITO) 투명 전극을 대체 할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.
또 그래핀의 유연한 성질은 미래 산업에서 필요로 하는 유연하고 접을 수 있는 소자 및 초고속 반도체 소재로서 이용될 수 있습니다.
그래핀은 탄소 원자가 안정적으로 초박막 상태를 유지할 수 있는 구조로서, 양자홀 효과와 같은 특이한 물리적 성질을 보이기 때문에, 산업계는 물론 학계에서도 매우 높은 관심을 보이고 있는 신소재입니다.
하지만 그래핀을 실질적인 산업에 응용하기 위해서는 양질의 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 확보하는 것이 관건입니다.
 

꿈의 신소재 그래핀은 가장 우수한 전기적 특성이 있으면서도 투명하고, 기계적으로도 안정하면서 자유자재로 휘어지는 차세대 전자소재입니다.

그러나 현재 제조되고 있는 그래핀은 다결정성을 지니고 있어, 단결정일 때보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 특성을 보입니다.

이것은 그래핀의 특성이 결정면의 크기와 경계구조에 큰 영향을 받기 때문입니다.

따라서 우수한 특성을 갖는 그래핀을 제조하기 위해서는 그래핀 결정면의 영역(도메인)과 경계를 쉽고 빠르게 관찰하는 것이 향후 그래핀의 물성을 크게 향상하고 상업화하기 위한 핵심기술입니다.

정희태 교수

KAIST 정희태 교수팀은 LCD에 사용되는 액정의 광학적 특성을 이용해, 그래핀 단결정의 크기와 모양을 대면적에 걸쳐 쉽고 빠르게 시각화할 수 있는 기법을 개발했습니다.

특히 그래핀의 단결정을 시각화함으로써, 단결정에서 얻을 수 있는 이론값에 가장 가까운 전기전도도를 직접 측정하는데 성공했습니다.

이번 연구는 우리나라가 보유한 세계 최고의 액정배향제어기술을 토대로, 대면적에 걸쳐 그래핀의 결정면을 누구나 쉽게 관찰할 수 있는 방법을 제시한 것입니다.

연구팀은 그래핀을 쉽게 대면적에서 관찰할 수 있는 기법을 개발하여 그래핀 상용화분야에서 원천기술을 획득했습니다.

또 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에도 한 걸음 다가섰습니다.

이번 연구는 정희태 석좌교수가 주도하고 김대우 박사과정생, 김윤호 박사(공동1저자), 정현수 박사과정생(제3저자)이 참여했습니다.

(왼쪽부터)정현수 박사과정생, 김윤호 박사, 김대우 박사과정생

연구 결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nature Nanotechnology' 온라인 속보(11월 20일)에 게재되었습니다.
(논문명: Direct visualization of large-area graphene domains and boundaries by optical birefringency)


 용  어  설  명

결정면(crystal face) :
결정의 외형을 나타내는 평면으로 격자면과 평행인 면

액정배향제어기술 :
액정의 방향을 일정하게 만드는 기술

광학적 특성 :
어느 물질에 빛을 통과시키거나 반사시킬 때 생기는 특성

액정(Liquid Crystals)

액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기-광학적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재하며, 현재 LCD에 사용되는 액정은, 기판의 표면성질에 따라 배향을 쉽게 조절할 수 있는 네마틱 계열의 액정물질이다. 비등방성(anisotropy)을 가지는 액정분자의 구조적인 특징 때문에, 고유한 전기-광학적 특성을 보인다. 본 연구에서는 그래핀 표면에서 일정방향으로 배향되었을 때 나타나는, 액정물질의 굴절률 차이(복굴절, birefringency)를 이용함으로써 그래핀 도메인을 관찰할 수 있었다.

<연 구 개 요>

꿈의 신소재인 그래핀을 산업에 응용하기 위해서는 우수한 물성을 가지면서 대량의 그래핀 생산 기술을 확보하는 것이 최대의 관건이다. 2010년 Andre Geim 교수(Univ. of Manchester)가 스카치테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법 이후에 수많은 그래핀 연구의 발전이 있어 왔으나, 현재까지 가장 큰 이슈 중의 하나가 이론적인 특성보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 물성을 보인다는 것이다.

연구결과에 의하면, 이러한 문제의 가장 큰 원인이 현재까지 화학기상성장(CVD) 방법, 화학적 방법 등을 이용하여 합성된 그래핀이 다결정성을 이루어져 있어, 단결정을 가졌을 때 예상되는 이론적인 특성보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 물성을 보인다. 이는 다결정성 그래핀에서 발생하는 도메인 간의 경계구조가 에서 전기적, 기계적 성질이 크게 영향을 미치기 때문이라고 알려져 있다. 따라서 이상적인 전기적 특성을 가지는 양질의 그래핀을 제조하기 위해서 그래핀의 도메인과 경계를 관찰하는 것이 그래핀의 상업화에 매우 중요하다.

이러한 그래핀 도메인 조절의 중요성에도 불구하고, 그 도메인과 경계를 쉽게 관찰하는 방법의 개발이 그래핀 연구에 있어서 가장 큰 난점 중의 하나로 여겨져 왔다. 기존의 라만 2D 맵핑(Raman 2D mapping) 분석, 저 에너지 전자 회절(Low Energy Electron Diffaction) 분석, 투과전자현미경(Transmittance Electron Microscopy) 분석으로는  그래핀의 도메인을 관찰하는데 많은 시간이 요구될 뿐 아니라, 그 관찰 범위 또한 수 마이크로로 제한적이라 현실적으로 불가능한 방법들이었다. 따라서 그래핀의 특성을 조절하기 위해서 범용적이며, 손쉽게 그래핀의 결정면을 관찰하는 방법이 최근 그래핀 연구의 핵심이다.

이에, KAIST 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀은 LCD에 사용되는 액정의 고유한 광학적인 특성을 이용하여, 대면적에 걸쳐 그래핀의 단결정의 크기 및 모양을 쉽고 빠르게 시각화 할 수 있는 기법을 개발하였다. 특히 그래핀 단결정을 시각화함으로써, 단결정에서 얻어질 수 있는 이론값에 근사하는 전기전도도를 직접적으로 측정하는 쾌거도 이루었다.

(좌) 그래핀 결정면을 따라 배향된 액정분자 배향 모식도(우) 광학현미경으로 관찰된 실제 그래핀 결정면의 모습

그림 (좌) 모식도에서 보는 바와 같이, 그래핀 표면에 형성된 네마틱 액정분자의 알킬분자구조는 그래핀 층의 육각형 구조의 지그재그 간격과 일치하기 때문에, 그래핀 층의 결정방향에 따라 각 도메인에서 적합한 방향으로 에피택시(epitaxy)하게 배향된다. 또한 액정 분자체에 포함된 벤젠링 구조는 sp2 혼성결합으로 이루어진 육각형 벌집모양의 그래핀 표면과 강한 상호작용을 하여, 액정 분자체의 배향은 그래핀 도메인 배향과 일치하여 배향될 수 있다. 이렇게 그래핀의 도메인에 따라 배향된 액정분자체의 복굴절 색상을 편광현미경으로 관찰하게 되면, 그림 (우)에서 보는 바와 같이 그래핀 도메인에 따라 액정 층이 각각 다른 색을 띄게 되어 그래핀의 도메인과 경계구조를 광학적으로 손쉽게 확인할 수 있다.
 
이러한 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 손쉬운 액정 코팅방법을 사용함으로써 그 작업이 단순하고 시간과 비용이 줄어드는 동시에 편광현미경으로 관찰 가능한 범위(~수cm 이상)의 매우 넓은 영역의 결정구조를 확인할 수 있어 그래핀 특성을 연구하는데 필수적이다. 이러한 액정코팅을 통해 그래핀 도메인을 관찰하는 기법은 CVD로 합성된 그래핀뿐만 아니라, 다양한 합성법(기계적 박리, 화학적 합성 등)으로 만들어진 모든 그래핀 도메인 관찰에 적용 가능한 기술로서, 향후 그래핀 소재 연구 분야에서 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

세계적으로 반도체와 디스플레이에서 강한 면모를 보이고 있는 우리나라는 그래핀을 쉽게 대면적에서 관찰할 수 있는 기술까지 보유하게 됨으로써, 그래핀 상용화분야에서 원천기술을 갖게 되었으며, 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에 한 발짝 다가설 수 있게 되었다. 그래핀을 이용한 새로운 응용의 신기원을 열게 되었으며, 차세대 전자소자 산업분야에서 시장 선점 및 막대한 부가가치 창출 등을 통해 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

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교육과학기술부와 한국연구재단은 2011년 10월 '이달의 과학기술자상' 수상자로 한국기계연구원 이학주(53) 박사를 선정했습니다.

이 박사는 10nm급 나노측정 원천기술을 개발해 국제표준기술로 채택되는 등 우리나라가 세계 나노측정기술 산업을 주도하는 계기를 마련하고, 그래핀을 이용한 초박막 고내구성의 나노고체윤활막을 개발한 공로를 인정받았습니다.

◆ 이 박사가 개발한 띠굽힘시험법을 이용한 박막의 인장 물성 측정 기술과 미소(微少) 기둥 압축시험법은 각각 지난 2월과 7월 국제전기기술위원회(IEC) 국제표준기술로 채택됐습니다.

띠굽힘시험법은 길이가 길고 너비와 두께가 얇은 마이크로 나노 구조물을 변형시키면서 하중과 변형을 간편하고 정확하게 측정하는 방법으로, 측정의 자동화는 물론 관련 제품의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있는 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.

지금까지 전 세계 연구자들은 물성의 정확한 측정을 위해 다양한 방법들을 개발해 왔으나, 보다 간편하고 정확하게 측정할 수 있는 방법이 없어 물성의 가치를 정확히 측정하는데 어려움을 겪었습니다.

이 박사가 개발한 띠굽힘시험법과 미소 기둥 압축시험법이 국제표준으로 채택됨에 따라, 우리나라는 세계 나노측정기술 산업을 주도할 수 있는 계기를 마련하고, 또 상용화 촉진을 위한 기반을 구축했습니다.

◆이 박사는 지난 5월 10nm 이하의 두께로 강철의 100배 이상의 강도를 지닌 나노소재 그래핀을 이용해 매우 얇으면서도 내구성이 뛰어난 나노고체윤활막을 처음으로 개발했습니다.

이 박사는 화학기상증착(CVD)법으로 제조된 그래핀 고체윤활막이 기존에 고체윤활제로 널리 사용되고 있는 그라파이트와 비슷하게 마찰 저감 효과가 있음을 밝혀냈습니다.

이것은 공학적으로 응용할 수 있는 대면적 그래핀의 마찰 특성을 규명하고, 현존하는 가장 얇은 고체윤활제로 활용할 수 있는 가능성을 확인한 의미 있는 연구결과로 인정받아, 나노화학분야의 권위 있는 학술지인 ACS Nano지(IF=9.855) 2011년 5월호에 게재됐고, 나노과학 기술분야 인터넷 뉴스사이트에 스포트라이트 기사로 소개되기도 했습니다.

아울러 이 박사는 지난 30년간 재료구조, 특성, 시험 분야에 대한 연구를 꾸준히 진행했고, 최근 3년간 국제표준(2건 발간, 1건 제정 중, 2건 신규 제출), 논문게재(ACS Nano, MRS Bulletin 등 31건), 특허등록(25건), 기술이전(기술료 징수 4건) 등의 실적을 쌓았습니다.

이 박사의 연구결과로 축적된 350건의 물성측정 데이터는 웹 기반 데이터베이스로 구축돼 일반 국민에게 공개되고 있습니다.

◆이학주 박사 수상 소감
"정답을 모르는 상태에서 답을 찾기 위해 끊임없이 노력하고 새로운 길을 찾는데 함께한 연구원들과 10년 동안 연구에만 전념할 있는 환경을 마련해 주신 관계자 여러분들께 수상의 영광을 돌린다. 앞으로도 나노물성측정 결과를 데이터베이스화하여 나노제품 관련 국내 연구자와 기업들에게 제공함으로써 관련 연구와 제품 경쟁력 향상에 활용될 수 있도록 최선의 노력을 다하겠다."

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