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[신기술 소개] AIST, 단층 탄소나노튜브를 효율적으로 분산할 수 있는 분산제 개발 - 빛으로 쉽게 분리할 수 있는 단층 탄소나노튜브 정제 과정에 응용 가능 -

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KIC News, Volume 17, No. 3, 2014 59

AIST, 단층 탄소나노튜브를 효율적으로 분산할 수 있는 분산제 개발 - 빛으로 쉽게 분리할 수 있는 단층 탄소나노튜브 정제 과정에 응용 가능 -

일본 산업기술종합연구소(AIST) 나노시스템연구부문 스마트재료연구그룹 마츠자와 요코(松澤洋子) 연구 원은 소량을 첨가함으로써 효율적으로 단층 탄소나노튜브(SWCNT)를 분산시킬 수 있으며, 빛을 비추면 거 의 전량을 SWCNT 표면으로부터 쉽게 분리할 수 있는 광응답성 SWCNT 분산제를, 불순물을 함유한 SWCNT의 비파괴적인 정제 과정에 적용할 수 있다는 것을 실증했다.

SWCNT를 비롯한 각종의 탄소나노튜브는 물에도 유기 용매에도 분산되기 어려운 점 때문에 응용상 제 약이 있었다. SWCNT 반도체형과 금속형의 분리 기술이나 투명 전도막 제작 등의 디바이스 탑재 기술에 있어 SWCNT 분산화 기술의 고도화는 필수적이다.

AIST는 앞서 광응답성 SWCNT 분산제를 개발한 상태로 이번 연구를 통해, 개발된 분산제가 현재 가장 고성능 SWCNT 분산제에 필적하는 고효율 분산 능력을 갖고 있음을 각종 평가법에 의해 밝혀냈다. 또 이 분산제가 광반응에 의해 몇 시간 만에 거의 전량을 분리할 수 있는 사실을 열중량 분석을 통해 확인했으며, 이 분산 기술과 초원심분리를 조합함으로써 SWCNT를 비파괴적으로 정제할 수 있음을 실증했다. 이에 따 라 불순물을 함유한 SWCNT 샘플을 실험실 규모로 쉽게 정제할 수 있게 됐다.

본 연구 성과는 2014년 2월 14일 미국 화학회의 과학학술지 Journal of Physical Chemistry C 온라인 판에 게재되었다(※발표논문 참조).

※ 발표논문: Yoko Matsuzawa, Yuko Takada, Tetsuya Kodaira, Hideyuki Kihara, Hiromichi Kataura, and Masaru Yoshida, “Effective Nondestructive Purification of Single-Walled Carbon Nanotubes Based on High-Speed Centrifugation with a Photochemically Removable Dispersant”, Journal of Physical Chemistry C, February 14, 2014.

DOI: 10.1021/jp411964z

KIC News, Volume 17, No. 3, 2014

신기술 소개

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http://www.ksiec.or.kr

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공업화학 전망, 제17권 제3호, 2014

Figure. 광반응성 분산제를 이용한 SWCNT 시판품의 정제 방법.

(왼쪽) 분산제가 흡착한 SWCNT는 초원심 분리로 불순물을 제거한 후에도 균일하게 분산되어 있다.

(오른쪽) 광조사에 의해 광화학 반응성 분산제를 분리하면 잠시 방치하는 것만으로 SWCNT가 침전된다.

출처: 2014.05.15 AIST(http://www.aist.go.jp/aist_j/new_research/2014/nr20140515/nr20140515.html) 작성: 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)

AIST, 실온 프로세스에서 필름형 태양전지를 제작 - 필름 형태로 변환 효율 8.0%를 달성 -

색소증감 태양전지는 그늘과 벽면 등 발전(發電)이 불리한 상황에서도 성능을 발휘할 수 있는 태양전지 이다. 필름형을 롤투롤(Roll to Roll) 방식으로 제작할 수 있게 되면 저비용ㆍ박형ㆍ경량ㆍ대면적ㆍ유연한 태양전지가 실현될 것이라 기대하고 있지만 아직 광범위하게 실용화되지는 않고 있다. 색소증감 태양전지 에서는 일반적으로 이산화티타늄을 포함한 페이스트를 기판에 도포한 것을 400∼500℃ 정도의 고온에서 제작하는데, 이 온도는 시판중인 유기 필름의 내열성보다 높기 때문에 필름형을 제작하기가 어려웠다.

연구진은 세라믹 입자가 상온에서 고화(固化)하는 ‘상온 충격 고화 현상’을 발견하고 이를 바탕으로 실온ㆍ 고속의 코팅 기술인 에어로졸 디포지션법(AD법) 기반 기술을 확립하여 치밀한 광투과율이 높은 세라믹 후 막 형성에 성공했다.

AD법은 원료 입자를 고속으로 기판에 충돌시키고 거기에서 발생하는 GPa 오더가 높은 압력에서 입자 간의 결합을 촉진시켜 성막하는 방법으로(그림), 가열 과정 없이 높은 강도를 갖는 막을 형성시킬 수 있다.

이 방법은 사용하는 원료 입자나 성막 조건으로 치밀한 막에서부터 다공 막까지 형성할 수 있다. 연구진은 이번 연구에서 이 AD법을 이용하여 계면ㆍ막 구조의 최적화 등을 통해 색소증감 태양전지용 반도체층에 적합한 이산화티탄 다공막을 만드는 데 성공, 색소증감 태양전지의 발전 성능을 확인했다. 발전 효율은 유 리 기판에서 9.2%, 필름 기판에서 8.0%(4 mm각, 100 mW/cm2)이었으며, 필름 기판을 이용한 색소증감 태양전지에서 세계 최고 수준의 발전 효율을 얻었다. 열 에너지 대신 입자의 고속 충돌 에너지에 의한 미립 자 결합 메커니즘을 이용함으로써 지금까지의 고온 소성 세라믹 형성 과정이 생략되어 실온에서의 필름화 에 성공했다. 내열성이 낮은 범용 필름이나 접착 테이프 같은 재료에도 성막할 수 있어 다양한 필름 기판을 이용한 색소증감 태양전지의 제조가 가능하게 되어 폭넓은 이용이 기대된다. 또 고온 공정이 생략되어 제 조 부하를 저감할 수 있으며, Roll to Roll화가 가능하여 생산성 향상에 의한 비용 절감이 기대된다.

참조

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