42 Polymer Science and Technology Vol. 22, No. 1, February 2011
탄소로 만든 터치스크린
터치스크린은 비록 그 가격이 높긴 하지만 이미 실생활에서 사용되 고 있다. 이 작은 스크린에는 고가의 희귀 원소가 포함되어 있다. 이 때 문에 Fraunhofer 연구소의 연구원들은 저가이며 재생이 가능한 디스 플레이용 대체 원재료 개발에 힘써 왔다. 연구팀은 2월 16∼18일간 일 본 도쿄(Hall 5, Stand E-18-11)에서 개최되는 ‘Nano Tech 2011’
에서 탄소 나노튜브를 포함하는 터치스크린을 소개할 예정이다.
이 터치스크린은 단지 손가락 끝으로 가볍게 접촉하는 것으로 충분 히 작동하며, 윈도우 메뉴를 열거나 탐색하고 화면상에서 그림을 회 전시킬 수 있다. 접촉 후 데이터는 컴퓨터가 이해할 수 있는 명령어 로 번역한다. 얼핏 보기에 이 기술은 기적인 것처럼 보이지만, 실상 수 수께끼는 ITO로 만들어진 디스플레이의 유리표면 아래에 있는 아주 얇은 전극에 숨어있다. 이 물질은 미세한 전류를 전도하고 디스플레 이의 색상을 방해하지 않는 뛰어난 특성으로 인하여 터치스크린에 이 상적인 재료이다. 그러나 전세계에 인듐의 매장량이 매우 적은 것이 하 나의 문제점이다. 장기적으로 볼 때, 전자기기 제조업체는 원료 공급 자가 정한 가격에 의존하게 될 것을 우려하고 있다. 이런 이유로 인해 사람들은 인듐을 전략적 금속(strategic metal)으로 간주하고 있다.
따라서 민간기업들은 유사한 효율성을 갖는 ITO 대체물질에 매우 관심을 갖고 있다. Fraunhofer 연구팀은 ITO와 동일한 성능을 보이 면서도 훨씬 저렴한 새로운 전극물질을 개발하는데 성공하였다. 이것 의 주요한 성분은 탄소 나노튜브와 저가의 고분자이다. 이 새로운 박 막전극(electrode foil)은 두 층으로 구성되어 있다. 하나는 캐리어 (carrier)로 보통 플라스틱 병을 만드는데 사용하는 저렴한 PET를 얇은 박막으로 제조하였다. 탄소 나노튜브와 전도성 고분자의 혼합물 을 PET에 부가하고 건조하면 얇은 필름을 얻을 수 있다.
ITO와 비교해 볼 때, 플라스틱과의 이런 조합은 내구성이 떨어지는 단점을 갖고 있는데 이것은 습기, 압력, 혹은 자외선이 고분자에 스트 레인(strain)을 유발하기 때문이다. 이로 인해 플라스틱은 취성이 커 지고 결국 파괴된다. 오직 탄소 나노튜브만이 여기에 안정성을 부여 해 줄 수 있다. 탄소 나노튜브는 전도성 고분자가 확고히 부착되는 부 분에 네트워크를 형성시키기 위해 PET 상에서 경화된다. 즉, 이 층 은 장기적으로 내구성을 지니게 된다. Fraunhofer 연구소의 프로젝트 매니저인 Ivica Kolaric는 바깥 층의 전기 저항성은 ITO에 비해 다소 크지만, 전기 시스템에 적용은 어렵지 않을 것이라고 전했다. 이 기
그림 1. 탄소 나노튜브를 포함하고 있는 터치스크린으로, 저가의 재생 가능한 원 재료로 제조 가능함.
술의 장점은 탄소가 저렴할 뿐만 아니라 전세계 어디에서도 얻을 수 있 고 목재와 같은 유기물질에서도 얻을 수 있는 재생자원이라는 것이다.
이 새로운 기술은 다양한 방면에 적용이 가능하며 이 박막이 가지 는 유연성은 다분야 적용 가능성에 핵심 포인트라고 할 수 있다. Kolaric 은 평편하지 않은 구조 혹은 주름형 지붕(corrugated roof) 등에 광 전지 박막을 설치할 수 있다라는 것으로 그 가능성을 요약적으로 표 현하고 있다. 연구팀은 이미 파일럿 생산을 위한 설비구축을 완료한 상태이다.
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Fraunhofer-Gesellschaft, 2011. 01. 27>
폴리머 콜로이드에 대한 새로운 발견
헬름홀츠 협회 연구센터(Research Center of the Helmholtz Association)의 연구진은 에어브러시-스프레이 코팅(airbrush- spray coating) 방법을 이용해서 실리콘 기판 위에 콜로이드 폴리머 박막을 정렬시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
박막과 다중층 구조는 센서코팅, 마이크로 전자장치, 태양전지 기술, 자기기록 등과 같은 다양한 분야에 적용할 수 있다. 유기 하이브리드 소자는 저렴하게 제조할 수 있고 플렉서블 장치에 적용할 수 있기 때 문에 많은 관심을 받고 있다. 그러나 장치의 성능을 향상시키는 새로 운 접근 방법은 대면적에서 높은 균일성과 정렬된 측면을 가진 박막 을 만들 수 있어야 한다.
이것을 수행하기 위한 많은 방법들이 이미 개발되었다. 예를 들면, 상향식 방법으로 용액 캐스팅(solution casting), 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 딥-코팅(dip-coating)을 들 수 있고, 하향식 방법으로 리소 그래피 또는 진공 증착을 들 수 있다. 최근에 에어브러시-스프레이 증착기술이라는 새로운 기술이 개발되었는데, 이것은 다이오드, 트랜 지스터, 반도체, 전해질박막, 태양전지 등에 유용하게 적용할 수 있다.
에어브러시-스프레이 코팅 기술은 유기 층의 빠르면서 경제적인 증착 을 가능하게 한다. 이것은 또한 대면적에서 높은 구조적 균일성을 가 지게 한다.
연구진은 이 연구결과를 도출하기 위해서 X-선 스침각 산란법 (grazing incidence small angle X-ray scattering, GISAXS)을 사용했다. GISAXS 조사는 DORIS Ⅲ(Double Ring Store)의 빔라 인 BW4에서 수행되었다. 289 m의 둘레를 가진 DORIS Ⅲ은 4.45 GeV의 에너지에서 양전자 또는 전자를 저장하는 것이 가능하다.
연구진은 원자빔 현미경(AFM)으로 샘플을 조사했고 산란시뮬레
그림 2. 폴리머 콜로이드의 원자빔 현미경 사진.
기술뉴스
고분자과학과 기술 제 22 권 1 호 2011년 2월 43 이션을 만들었다. 시뮬레이션 데이터는 실험 데이터와 매우 일치했다.
이 연구로 스프레이 사이클 수에 의해서 박막 균질성이 변화되고 박 막의 측면 정렬은 용매 선택에 크게 영향을 받았다. 이 박막은 큰 방 향 의존성을 가진 길게 늘어진 도메인 또는 줄무늬 같은 구조를 가졌다.
줄무늬 같은 구조는 스프레이 임프린트 센터 주위에서 방사상 모양으 로 분포하고 있다. 폴리머 콜로이드의 측면 정렬은 템플릿과 초고밀도 미디어의 제조를 위한 골격에 적용할 수 있을 것이다.
<Adv. Eng. Mater.; DOI: 10.1002/adem.201000224>
친환경적인 유기 태양전지 제조 방법
덴마크 공대(Technical University of Denmark) 연구진은 모든 층을 수용성 처리 기술을 사용하여 고분자 태양전지를 제조할 수 있 는 새로운 방법을 개발했다.
무기 태양전지의 전력 변환효율(power conversion efficiency)과 유사한 전력 변환효율을 가진 유기 태양전지는 최근에 많은 연구 개 발이 이루어지고 있는 분야이다. 이러한 고분자 태양전지는 작은 규 모로 연구실에서 주로 제조되었고 그들을 합성하기 위한 방법은 대 규모 적용이 어려운 스핀코팅과 같은 방법과 독성용매를 사용하는 등 의 문제점이 있다. 실제 적용을 할 수 있을 정도의 유기 광 발전을 하 기 위해서는 이 두 가지 문제가 해결되어야 한다. 오늘날 최고로 우 수한 유기 태양전지는 물과 산소에 민감하고 그들을 제조하기 위해서는 고진공 조건이 필요하다. 이것은 대규모 생산을 방해하는 요인이 된다.
연구진은 액체 용액으로 고분자 태양전지의 모든 층들을 프린트 하기 위해서 전자층, 홀층, 활성층, 금속 배면 전극 층에 대한 디자인 을 수행했다. 프린팅 후에 불용성 상태로 변환시킬 수 있는 기술은 동 일한 용매(물)로 다층 형성을 할 수 있게 했다.
ITO기판은 초음파 bath를 사용해서 10분 동안 각각 이소프로판올 (isopropanol)과 물로 세척했다. 그 후에 ZnO 전구 용액은 100 rpm 으로 스핀 코팅되었고 건조 후에 이것은 ZnO로 변환되기 위해서 140 ℃
그림 3. (위)기존의 태양전지의 처리 과정과 (아래) 이번 연구진이 개발한 새 로운 태양전지 처리과정의 개략도.
그림 4. 물 기반의 처리에 사용된 잉크의 사진. (왼쪽부터) 수용성 ZnO 전구용액, 폴리머 1 수용액, 이소프로판올을 가진 수용성 PEDOT:PSS, 수용성 은(Ag) 페 이스트.
에서 짧게는 5분 동안 가열했다. 이 활성층은 물/이소프로판올/THF (47.5:47.5:5)의 혼합물로 되어 있는 폴리머 1 용액과 400 rpm의 스핀 코팅에 앞서 THF에서 플러렌 2(15 mg/mL)를 혼합함으로써 만들어졌다. ITO:ZnO:활성층을 건조한 후에 이 기판은 측쇄 분열을 위해서 대략 10초 동안 310 ℃의 핫플레이트 위에 가열되었다.
독성 용매는 친환경적인 물 기반의 용매로 교체되었고 고진공 처리 단계는 공기 중에서 금속 잉크를 프린트하는 공정으로 대체되었다. 층 이 만들어진 후에 가열함으로써 불용성이 되도록 폴리머 층을 재설 계했다. 이것은 이전에 증착된 층과의 상호작용 또는 용해를 방지한다.
또한, 플러렌 층은 수용액과 호환되도록 재설계하였다. 두 개의 금속 층 을 물 기반 용액에서 프린트하였다. 초기 테스트에서는 더 가혹한 방 법을 사용해서 제조된 장치보다 이 장치가 다소 더 낮은 효율을 가진 다는 것을 증명하였지만, 이 연구는 일상생활에 유기 태양전지의 실제 적용을 위한 대규모, 친환경적인 생산의 중요한 시작점이 될 것이다.
<
Adv. Energy. Mater., 2010 ; DOI: 10.1002/aenm.201000007>
화장지 위에 프린트된 태양 전지
얇고 플랙서블한 재료들 위에 태양전지를 프린트할 수 있는 새로운 제조 기술을 실현하기 위하여, MIT의 연구원들은 일반 화장지 상에 태 양전지를 패턴화하였다. 화장지가 실용적인 태양전지 응용에 대한 가망 성 없는 기판이라 할지라도 광범위한 재료들 상에 저가 프린팅 기술의 성능을 충분히 보여주는 것이다.
연구팀은 이 기술이 섬세하고 다양한 물질들에 태양전지를 프린트하 는데 사용될 수 있다는 것을 보였다. 한 예로, 라이스 페이퍼(rice paper) 는 레스토랑에서 스프링 롤(spring roll)을 만드는데 사용되고, 습식 과 정들에서 항상 용해된다. 연구팀의 기술이 건식, 용매 없는 과정들이기 때문에 라이스 페이퍼는 온전하게 남아있었다. 또한, 연구팀은 물을 제 거하고 일반적으로 코팅하기 어려운 플라스틱 사란(Saran) 랩 위에서 기술을 설명했다.
산화/화학 기상 증착법(oCVD)이라 불리는 새로운 기술은 단분자의 증기와 산화제를 기판 상에 뿌리는 것을 포함한다. 단분자와 산화제는 전도성 고분자(PEDOT) 플라스틱으로부터 폴리머화 된다. 플라스틱 자체는 전도성이지만, 전도성이 큰 은입자와 끈으로 묶일 수 있는 나노 포어 형성을 위하여 기판 온도를 조절함으로써 전도성은 1,000배 더 증가될 수 있다.
또한, 프린트된 태양전지는 특성에서 최소한의 효과로 다량의 늘림 과 휨을 견딜 수 있다. 시험에서 연구팀은 1,000번 이상 5 mm 미만의 직경으로 프린트된 플라스틱 기판을 구부렸고, 이 효율이 벤딩 전에 99%
였다는 것을 발견했다. 또한, 전극들은 구부려질 수 있고, 늘릴 수 있었 고, 전극들의 전도성은 유지되었다. 방법의 유연적응성(robustness)을 설명하기 위하여 연구원들은 종이 비행기를 위해 태양전지로 프린트된 종이를 접었고, 소자가 여전히 전류를 발생하고 있다는 것을 보였다.
연구팀에 따르면, 종이는 투명하지 않기 때문에 광전변환 공학을 위 한 좋은 기판이 아니라고 한다. 그러나 저가로 플렉서블하고 늘릴 수 있는 물질들 위에 태양전지를 프린트하는 능력은 태양전지를 더욱 넓 게 이용하는데 매우 유용할 것이다. 이 기술이 태양전지 외의 다른 전 자 소자들을 프린트하는데 사용될 수 있음에 따라, 이 기술은 섬유에 전 자를 프린트하고 다른 플렉서블 디스플레이에 프린트하는 것과 같은 응 용제품들에도 사용될 수 있을 것이다.
