전기분사방법을 이용한 나노카본재료 박막제조 및 태양전지 전극재료로의 응용

Electrospinning의 원리와 응용

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1. 서론

화석연료의 한정적인 매장량과 급증하는 수요로 인한 유가 상승은 신·재생 에너지 개발을 북돋았다. 태양광, 조력, 풍력, 지열 등을 이용한 에너지 개발이 주를 이루 었고 그 중 태양광을 이용한 연구가 가장 뜨거운 주제로 손꼽혔다. 태양광에너지를활용해실리콘기반의태양전지 (Silicon Solar Cells), 유기태양전지(Organic Photovoltaics), 염료감응 태양전지(Dye-sensitized Solar Cells) 등의 소자 를 응용해 효율적인 에너지 생산에 집중해 왔고, 높은 에 너지 변환 효율을 얻어냈다. 하지만 이러한 소자들을 대 면적화해서 실생활에 적용하기에는 물리적, 공간적 제약 이 수반된다. 따라서 높은 에너지 변환 효율을 유지하면 서 얇고, 휘어짐이 가능한 박막형태의 소자를 만드는 것 이 최근 들어 가장 중요한 이슈다.

박막제조 기술은 소자연구에 있어서 기반이 되는 기술 이기 때문에 많은 연구가 이루어져 오고 있다. 기본적으 로는 박막 제조기술은 재료의 성능을 향상시키거나 새로 운 기능을 부여하지만 형태학적 변형을 꾀하기도 한다.

박막을 제작하는데 가장 많이 사용되는 기술은 진공 증 착법이다. 진공 증착은 물리 증착법과 화학 증착법으로 나뉘는데, 물리 증착법은 높은 진공상태에서 금속, 합금 등의 고체물질을 열 또는 운동에너지를 이용, 증기화해 기판에 증착시키는 방법이고,

화학 증착법은 진공이나 경우에 따라서는 저압의 불활성 기체 상태에서 주로 고 분자 등의 화합물을 열이나 플라즈마, 빛 등을 이용하여

기판에 증착시키는 방법이다.

때로는 전기화학적 방법을 이용하기도 하는데, 음극에 고체를 석출시킨다거나 양극 을 산화하여 박막을 형성한다.

앞서 설명한 방법들은 연구 단계에서 주로 쓰이지만 구동자체가 간단하지 않기 때문에 대면적화/대량생산 등에는 맞지 않다. 간단하게 는 잘 분산된 탄소용액 등을 진공 여과해 박막을 형성하 는 방법과 동일한 용액을 공기분무(Air spray)하는 방법 이 있다.

두 방법은 박막의 제조는 간단하지만 박막 표 면의 균일성, 기판 표면과의 접착성 등이 좋지 않고 무엇 보다도 전기화학적으로 응용하기에는 형태학적으로 부 족함이 많다.

따라서, 최근에는 연구에서 박막의 균일성, 접착성, 대 면적화, 대량생산에 부합하기 위하여 정전 분사 방법 (electrospray)이 시도되었다. 정전분사는 전기력에 의하 여 액체를 미립자화 하는 방법이다.

액체가 높은 전위 에 놓인 모세관을 흐를 때 전위차로 형성된 전기장에 의 해서 미세한 방울로 분사된다. 이때 모세관을 흐르는 액 체가 고분자 용액인 경우는 정전기적 힘에 의한 용액의 끌어당김, 용매의 급격한 증발작용으로 인해 나노섬유가 만들어지며 이것을 전기방사라고 한다.

정전 분사로 얻 어지는 박막의 표면은 매우 균일하고 기판 표면에 대한 접착성이 뛰어나다. 뿐만 아니라 정전분사를 이용하여 균일한 구 형태의 계층구조나 수많은 나노사이즈의 기공 을 포함하는 구조를 제작할 수도 있다. 특히 요즘 각광받 는 탄소재료의 경우 내재된 전기적, 기계적 특성 등은 매 우 뛰어나지만 박막 형태로 만들기에 많은 어려움이 따

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글

_ 장성연, 김영곤

국민대학교, 생명나노화학과

*

과학기술연합대학원대학교, 나노재료공학과

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른다. 예컨대 그래핀이나 탄소나노튜브의 경우는 수 마 이크론에 이르는 두께를 갖는 대면적 전극을 만드는 것 이 매우 어렵다. 하지만 잘 분산된 수용액 상태의 그래핀 또는 탄소나노튜브는 정전분사를 통해서 쉽고 균일하게 박막으로 제조될 수 있다. 본 고에서는 수용액성의 탄소 재료를 정전 분사하여 균일한 박막을 만들고 염료감응 태양전지의 상대전극으로 사용했을 때의 특성을 분석함 으로써 정전분사의 전망을 살펴본다.

2. 정전 분사

Fig. 1은 일반적인 정전 분사 시스템의 모식도이다. 시 스템은 모세관 노즐, 주사기, 유량 조절기, 전압 공급 장치 로 구성되어 있다. 모세관 노즐은 일반적으로 정교하게 만들어진 주사침을 사용한다. 모세관 노즐 끝에 전압공 급장치를 연결하고 분사가 받아지는 기판은 접지한다.

모세관 노즐 끝에 용액 방울이 맺히고 노즐과 기판 사이 에 강한 전기장이 걸리면 전기력에 의해서 용액이 당겨 지고 용액은 작은 미세방울로 분출된다. 용액이 분출되 는데 변형과 지장을 주는 두가지 힘이 있다. 분출되는 용 액의 체적에 가해지는 힘과 용액표면에서 수직방향과 탄 젠트 방향에 가해지는 힘이다. 분출되는 용액의 체적에 가해지는 힘은 다음과 같이 표현할 수 있다.

1. 전기력 (Fe)은 전기장에 비례한다.

연속적으로 존재하는 물질에서 이 힘은 전기력의 부피 밀도로 대신할 수 있다:

전기력은 모세관 노즐에 인가되는 전압으로 인해 생성

되는 전기장과 앞서 방출된 방울들의 공간 하전 (FQ)에 의한 것이다.

2. 중력(Fg),부피밀도:

3. 관성력 (Fρ),부피밀도:

4. 견인력 (Fη).

견인력은 움직이는 방울에서는 스토크스 견인으로 잘 알려져 있다. 높은 전기장이 걸렸을 때 볼 수 있는 분출 의 측면 움직임은 힘의 표현을 더 복잡하게 만든다. 견인 력이 오로지 주변의 기체 점도와 분출 속도에 비례한다 고만 말할 수 있다.

분출 모양을 변형시키는 분출 표면에 작용하는 힘은 액체의 표면장력의 텐서에 반대된다. 텐서는 몇 가지로 구분이 된다:

1. 표면전하밀도(q)와전기장E 로부터오는전기력텐서 2 안팎의 표면 양쪽의 압력차로부터 오는 스트레스 텐서

3. 액체 운동 점도로부터 오는 스트레스 텐서는 안-밖 표 면에 직각방향으로 향하는 액체 속도의 구배에 비례한다.

4. 액체의 관성에 의한 스트레스 텐서는 안-밖 표면에 서 액체 속도의 다이애드 곱에 비례한다.

이런 힘과 스트레스는 모세관 노즐의 끝에 맺힌 방울 이 당겨져서 분출이 되고 작은 방울로 흩어지게 한다.

부호 는 두 벡터의 다이애드 곱을 나타낸다.

정전 분사의 다양한 형태를 모식도로 나타냈다.

3. 연구동향

3.1. 수용성 고분자 전해질이 부착된 탄소나노튜브 박막

탄소나노튜브는 20세기 말 최초로 구조가 발견된 이후 나노기술 분야를 선도하면서 나노미터단위의 사이즈에

Fig. 1.

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서 나타나는 독특한 현상과 그 화학적, 물리적 성질을 연 구하고 응용하는데 주로 다뤄졌다.

그 응용분야는 IT(정보 통신, 디스플레이),

NT(복합수지, 고강도섬유),

BT(의약품, 환경)

를넘나들며수많은성과들을쏟아냈다. 탄소나노튜 브는 sp

결합으로만 이루어진 탄소 복합체인 흑연 한 층 이 말아져 형성된 튜브 모양을 하며, 강한 결합 강도로 인해 얻어지는 기계적, 전기적, 열적 특성은 뜨거운 관심 을 받기에 충분하다. 하지만 탄소나노튜브는 흑연과 같 이 sp

결합의 탄소로만 이루어졌기 때문에 액체에 분산 이 용이하지 않아 용액 공정에 적용하기에 어려움이 따 른다. 이를 해소하기 위해 수용성 고분자 전해질인 poly(styrene-4-sodiumsulfonate) (PSSNa)을 “grafting to”

방법으로 다층탄소나노튜브(multiwalled carbon nanotube, MWCNT)의 벽면에 부착했다.

Fig. 2는 합성 모식도를 나타내고 있다. 수용성 고분자 전해질의 도움으로 인해 만들어진 MWCNT-g-PSSNa 수 용액은 적정량의 에탄올과 혼합한 후 정전 분사를 통해 fluorine-doped tin oxide (FTO) 유리 위에 얇은 박막으 로 만들 수 있었다. 이때 모든 공정은 상온과 대기중에서

진행되었고, 어떠한 화학적 바인더도 사용하지 않고 오 로지 정전 분사만으로 박막을 제조했다.

Fig. 3은 박막의 제작에 사용된 정전분사의 모식도와 FTO 유리 위에 형성된 박막의 사진, 그리고 SEM 이미 지이다. 이미지와 같이 정전 분사로 제작된 MWCNT-g- PSSNa 박막은 광범위에 걸쳐 균일한 표면을 보였고, 수 용액 상으로 잘 분산되었던 MWCNT는 정전 분사로 인 해 서로 잘 짜여진 네트워크 구조를 형성했다. MWCNT- g-PSSNa 수용액이 증발하면서 발생할 수 있는 MWCNT- g-PSSNa의 뭉침 현상을 정전분사 기술이 제한한 것으로 생각된다. 박막의 MWCNT는 15 ㎚의 두께 와 수 마이 크론 단위의 길이를 하고 있는데 이 얇은 섬유상이 네트 워크를 형성해 전기 전도도, 비표면적 면에서 큰 장점을 제공한다. 제작된 박막의 두께는 1 µm에 달하는데, 이는 수용액의 농도와 분사 시간만으로 쉽게 조절할 수 있다.

MWCNT-g-PSSNa 박막의 전기적 특성은 일반 유리에 정전분사해서 분석했다. Fig. 4는 두께에 따른 전도도와 면저항을 나타내는데 박막의 두께는 같은 농도의 수용액 을 사용해 오직 분사 시간만으로 조절했다. 두께가 증가

Fig. 2. PSSNa-g-MWCNT 합성 모식도 .

Fig. 3. (A) 전기분사 시스템의 모식도, (B) PSSNa-g-MWCNT 코 팅된 FTO 유리, (C),(D) 정전 분사한 PSSNa-g-MWCNT 의 SEM 이미지.

Fig. 4. 정전 분사한 PSSNa-g-MWCNT의 박막 두께별 면저항과

전기전도도 그래프 .

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함에 따라 전기 전도도가 증가하고 면저항이 감소하는 현상을 보인다. 하지만 전기 전도도의 증가와 면저항의 감 소가 포화되는 지점이 있는데 그때 박막의 두께가 1 µm 부근이며 이때 면저항은 70 Ω/sq이고, 전기 전도도는 60 S/㎝ 이다.

MWCNT-g-PSSNa 박막의 우수한 전기적 특성과 표면 의 균일함을 토대로 전기화학적 촉매 활성에 대해 알아 보기 위해 FTO 유리 위에 코팅된 박막을 상대전극으로 사용하여 염료감응 태양전지를 제작했다. 이때 N719 염 료와 닥터블레이드로 제작된 광전극을 사용했고, 측정은 1 sun 조명(100 ㎽㎝

, AM 1.5G) 아래 이루어 졌다. Fig.

5는 MWCNT-g-PSSNa 전극을 사용하여 제작한 염료감 응 태양전지의 J-V 특성을 나타내고 Table 1은 그 수치 를 나타낸다. 에너지 변환 효율은 박막의 두께 1.18 µm 까지는 두께의 증가에 따라 함께 증가하지만 박막의 두 께가 그 이상일 경우는 비슷하거나 소폭 감소하는 경향 을 보인다. 박막의 두께가 1.18 µm 일 때 7.03%로 가장 높은 에너지 변환 효율을 보이며, 이때 open circuit volt- age (VOC)는 711 ㎷, short circuit current density (JSC) 는 16.9 ㎃㎝

, fill factor (FF)는 58.5%를 보였다. 비록 Pt 전극보다 낮은 효율이지만 수용성 탄소나노튜브를 정 전 분사로 박막 코팅하여 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

3.2. 수용성 그래핀 박막

탄소나노튜브의 바통을 이어받아 불과 몇 년 사이 가 장 뜨거운 이슈로 떠오른 소재가 바로 그래핀이다. 모두

sp

탄소 결합으로만 이루어진 흑연을 기반으로 하지만 1 차원 튜브 형태의 탄소나노튜브와는 달리 그래핀은 2차 원의 면 구조를 띄고 있다. 그로인해 얻어지는 전기적, 기계적, 열적 특성 뿐 만 아니라 넓은 비표면적으로 인해 많은 관심거리가 됐다. 그래핀 역시 탄소나노튜브와 마 찬가지로 흑연을 기반으로 하기 때문에 분산 문제로 인 해 용액 공정에 적용하는데 어려움이 많았다. 이 문제를 극복하기 위해 2008년 Rodney S. Ruoff가 oxide 작용기 를 도입하는 용액 공정을 제안했다.

흑연에서 산화 그래 핀을 만들고 다시 환원해 한 장 한 장 떨어진 전기전도성 면인 그래핀을 만드는 Top-down 방식은 여전히 용액 공 정을 하기 위한 중요한 기술로 자리매김 하고 있다. 언급 된 용액 공정에서 그래핀은 환원 후에도 특정 pH 영역에 서 잔존하는 작용기의 음전하로 인해 잘 분산된 수용액 상태를 유지한다.

이 수용액에 적정량의 에탄올을 혼합 하여 FTO 유리 위에 정전 분사 했다. 이어서 그래핀 박 막의 불순물을 제거하고 전기화학적 촉매 특성을 극대화 하기 위해 아르곤 분위기, 400℃에서 4시간 동안 열처리 했다.

그래핀 수용액은 정전 분사 하는 동안에도 잘 분산된 상태를 유지했고, 24시간 이상 분사에도 노즐의 막힘 현 상 없이 박막으로 일정하게 얻어졌다. 그래핀 박막은 FTO 유리 위에 어떠한 결함 없이 균일하게 받아졌으며 SEM 이미지와 같이 그래핀 면들이 서로 엉키며 형성된 기공 들이 포착됐고, 심각한 뭉침 현상은 찾을 수 없었다 (Fig. 6). 박막의 두께는 200 ㎚ 미만이며 전체 면에 걸쳐 큰 편차 없이 비슷한 두께 양상을 보였다. 이 박막은 400℃, 4시간의 열처리 후에도 어떠한 형태학적인 변화없이 균 일함을 유지했다. 따라서 정전 분사를 통해 어떠한 화학 적 바인더 없이 상온공정만으로 그래핀 박막이 성공적으

Fig. 5. Pt 전극과 박막 두께별 PSSNa-g-MWCNT 전극의 염료 감응 태양전지 J-V 특성 .

Table 1. Pt 전극과 박막 두께별 PSSNa-g-MWCNT 전극의

염료감응 태양전지 J-V 특성결과

로 형성 됐음이 확인 됐다.

순환 전압-전류법(Cyclic voltammetry)으로 그래핀 박 막의 I

/I

-

에 대한 전기화학적 촉매 특성을 분석했다(Fig.

7). 분석에는 열처리로 얻어진 Pt 전극 (Pt), 그래핀 박막 전극(GNS), 열처리한 그래핀 박막 전극(GNS/TA)을 사 용했다. 상대적으로 높은 전위에서 발생하는 산화/환원 은 3I

+2e

=2I

-

반응에 의한 것이며, 낮은 전위에서 발생 하는 산화/환원은 I

-

+2e

=3I

반응에 의한 것이다.

FTO

유리는 어떠한 산화/환원 피크도 나타내지 않으므로 FTO 유리에 의한 산화/환원 반응은 무시할 수 있다. 낮 은 전위에서 나타나는 산화/환원 피크 간격이 좁을수록 산화/환원 반응이 빠름을 나타내는데, 그래핀 박막전극 의 피크간 거리가 Pt 전극의 피크간 거리에 비해 넓은 것 으로 보아 그래핀 박막의 산화/환원 속도는 느린 것으로 보인다. 하지만 400℃ 열처리 후 그래핀 박막 전극의 피 크간 거리는 Pt 전극과 비슷하게 좁아진 것으로 보아 산

화/환원 반응이 Pt 전극 수준으로 빨라진 것을 알 수 있다.

그래핀 박막 전극을 이용한 염료감응 태양전지의 J-V 특성을 분석했다(Fig. 8, Table 2). 이 때 N719 염료와 닥터 블레이드로 제작된 광전극을 사용했고, 측정은 1 sun 조명 (100 ㎽㎝

, AM 1.5G) 아래 이루어 졌다. Pt 전극을 사용한 태양전지의 에너지 변환 효율은 7.23%인 데 반해 그래핀 박막을 사용한 태양전지는 5.45%의 효 율만을 보였다. 하지만 열처리한 그래핀 박막의 경우는 6.93%의 효율로 Pt 전극에 근접한 결과가 얻어졌는데 이 는 순환 전류-전압법의 결과와 유사하다. 염료감응 태양 전지에서 높은 에너지 변환 효율을 얻기 위해 상대전극 이 가져야할 항목은 첫째, 산화/환원 반응에 대한 충분한 전기화학적 촉매 활성, 둘째, 넓은 비표면적, 셋째, 높은 전기 전도도, 넷째, 낮은 전하 전이저항이다. 열처리로 인 해 불순물이 제거되어 전기화학적 촉매활성 작용기는 줄 었지만 그 비표면적은 변하지 않았고 산화/환원 반응이 빨라졌으며 그래핀 박막의 전기 전도도가 증가했다. 그 래핀 박막에 열처리를 함으로써 그래핀 박막이 극복해야 할 전기 전도도와 반응 속도를 향상시켰고, 높은 에너지 변환 효율을 가져왔다. 수용성 그래핀을 이용해 정전 분 사했고, 불과 200 nm 두께의 박막 만으로 5.45%의 에너

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Fig. 7. 그래핀 박막 -, Pt-전극의 I-/I

-

산화 /환원 반응에 대한 전순 환 전류 -전압법 그래프.

Table 2. 그래핀 박막 -, Pt-전극의 염료감응 태양전지 J-V 특성 결과 Fig. 6. (A) 그래핀 수용액사진 (B) 정전 분사 시스템의 모식도

(C) 정전 분사한 그래핀 박막 전극 (D) 정전분사 , 그리고 (F) 열처리 후 SEM 이미지.

Fig. 8. 그래핀 박막-, Pt-전극의 염료감응 태양전지 J-V 특성 .

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지 변환 효율을 얻었으며, 간단한 열처리 후에는 Pt 전극 과 견줄만한 결과를 얻었다.

3.3. 수용성 그래핀 / 백금 하이브리드 박막

뛰어난 전기적, 기계적, 열적 특성으로 인해 최근 몇 년 사이 그래핀에 대한 연구가 뜨겁게 진행되고 있다. 이 제는 그래핀 고유의 특성을 연구하는 것에서 나아가 고 분자, 무기물 등과 융합해서 나타나는 시너지 효과에 대 해서 연구할 필요가 있다. 백금은 산화/환원 반응 촉매작 용에 뛰어난 능력을 가지고 있지만 희귀 금속이기 때문 에 값이 많이 나가고 그 양이 한정적이다. 그래핀은 흔히 구할 수 있는 흑연으로부터 Top-down 방식으로 얻을 수 있고, 넓은 비표면적은 나노사이즈의 금속이 융합할 수 있는 좋은 지지체가 될 수 있다.

수용성 산화그래핀에 백금 전구체를 혼합하고 그래핀 과 백금을 동시에 환원 할 수 있는 친환경 환원제로 비타 민 C를 첨가했다. Fig. 9는 그래핀/백금 하이브리드 합성 의 모식도와 수용액 사진을 나타내고 있다. 몇가지 분석 을 통해서 비타민 C에 의해 그래핀/백금 하이브리드가 형성 됐음을 확인할 수 있었다(Fig. 10). 그래핀의 표면 에 형성된 백금은 평균 5.4 ㎚의 크기를 갖는다. 또한 전 구체로 양의 90% 이상이 그래핀의 표면에 달라붙어 높 은 수율을 자랑한다. UV, IR, Raman, XPS 등으로 산화 그래핀이 환원되는 것을 확인했고, XRD, XPS로 백금이 환원되는 것을 확인했다(Fig. 11). 형성된 그래핀/백금 하 이브리드는 비타민 C의 약한 환원 작용으로 환원된 후에 도 비교적 쉽게 수용액으로 분산된다. 분산된 그래핀/백 금 하이브리드 수용액은 적정량의 에탄올과 혼합해 FTO 유리 위에 정전 분사 했다. 분사된 그래핀/백금 하이브리

드는 균일하게 박막을 형성하였고, SEM 이미지 상으로 도 눈에띄는 결함이나 뭉침을 발견할 수 없었다(Fig. 12).

그래핀/백금 하이브리드의 기대되는 전기화학적 촉매 활성에 대해 알아보기 위해 FTO 유리 위에 코팅된 박막 을 상대전극으로 사용하여 염료감응 태양전지를 제작했 다. 이때 그래핀 박막(GNS), 그래핀/백금 하이브리드 박 막(NHB), 400℃ 4시간 아르곤 분위기에서 열처리한 그 래핀/백금 하이브리드 박막(NHB-TA), Pt를 상대전극으 로 사용했다. N719 염료와 닥터블레이드로 제작된 광전 극을 사용했고, 측정은 1 sun 조명 (100 ㎽㎝

, AM 1.5G) 아래 이루어 졌다 (Fig. 13, Table 3).

그래핀 박막을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전 지의 에너지 변환 효율은 Pt 전극의 절반에 그치는 정도 이며 그래핀/백금 하이브리드 박막의 경우는 7.97%로 Pt 전극 대비 90%의 에너지 변환 효율을 보였다. 그래핀/백

Fig. 9. 그래핀/백금 하이브리드의 합성 모식도 및 수용액 이미지 .

Fig. 10. (A) 그래핀/백금 하이브리드의 TEM 이미지 (B) 그래핀/

백금 하이브리드중 백금 입자의 HR-TEM 이미지 (C) 그

래핀 /백금 하이브리드의 입자의 크기 분포 (D) 합성에 포

함된 초기 전구체 양과 합성된 백금양의 관계 그래프.

금 하이브리드 박막에 400℃ 열처리를 해줬을 경우에는 VOC와 FF의 상승으로 Pt 전극을 조금 웃도는 효율을 보였다. Pt 전극은 일반적으로 전구체를 사용하며 450℃

의 고온을 필요로 한다. 그래핀/백금 하이브리드 박막 전

극을 제작하는 데는 하이브리드의 합성부터 박막의 제작 까지 모두 용액 공정이며 조금의 열도 필요치 않는다. 그 럼에도 불구하고 고온 처리한 Pt 전극에 비해 90%에 달 하는 에너지 변환 효율을 얻은 사실은 놀라운 결과다.

FTO 코팅 유리가 아닌 플라스틱을 사용했을 때 상대전극 의 변화로부터 오는 에너지 변환 효율 감소를 획기적으 로 줄일 수 있는 재료 및 공정이다.

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Fig. 11. (A) 그래핀, 그래핀/백금 하이브리드의 XRD 패턴 (B) 산 화그래핀, 그래핀 /백금 하이브리드의 UV 파장 흡수 (C) 산화그래핀, 그래핀 , 그래핀/백금 하이브리드의 IR 투과 (D) 산화그래핀, 그래핀, 그래핀/백금 하이브리드의 Raman 스펙트럼 (E) 그래핀/백금 하이브리드의 C1s XPS 스펙트럼 (F) 그래핀/백금 하이브리드의 Pt4f XPS 스펙트럼.

Fig. 12. 정전 분사한 그래핀/백금 하이브리드 박막 전극의 이미지와 SEM 이미지.

Table 3. 그래핀 박막 -, 그래핀 / 백금 나노하이브리드 박막 -, Pt- 전극의 염료감응 태양전지 J-V 특성 결과

Fig. 13. 그래핀 박막-, 그래핀/백금 나노하이브리드 박막 -, Pt-전

극의 염료감응 태양전지 J-V 특성 .

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4. 결론

정전 분사 공정에 초점을 맞춰 박막제조 기술과 염료 감응 태양전지 응용 사례에 대해 기술했다. 본문에서도 증명했듯이 정전 분사는 박막 제조에 중요한 요소인 균 일성에 잘 부합하는 기술이며 이와 더불어 경제성, 접착 성, 형태학적 다양성, 조작성을 두루 갖춘 차세대 코팅 기술이다. 지금까지 알려진 계층 구조를 갖는 구체, 판상 의 박막 외에도 아직 정복하지 못한 새로운 적용분야가 무궁무진한 기술임에 향후 다양한 공정 기술개발 및 응 용에 대한 연구가 기대된다.

참고문헌

1. F. C. Krebs, S. A. Gevorgyan, and J. Alstrup, “A Roll- to-Roll Process to Flexible Polymer Solar Cells: Model Studies, Manufacture and Operational Stability Stud- ies,” J. Mater. Chem., 19 5442-51 (2009).

2. H. Katagiri, K. Jimbo, W. S. Maw, K. Oishi, M.

Yamazaki, H. Araki, and A. Takeuchi, “Development of CZTS-Based Thin Film Solar Cells,” Thin Solid Films, 517 2455-60 (2009).

3. J. H. Hu and R. G. Gordon, “Textured Aluminum- Doped Zinc-Oxide Thin-Films From Atmospheric- Pressure Chemical-Vapor Deposition,” J. Appl. Phys., 71 880-90 (1992).

4. P. C. Andricacos, C. Uzoh, J. O. Dukovic, J. Horkans, and H. Deligianni, “Damascene Copper Electroplat- ing for Chip Interconnections,” IBM J. Res. Dev., 42 567-74 (1998).

5. H. Y. Park, H. Yang, S. K. Choi, and S. Y. Jang, “Effi- cient Solvent-Assisted Post-Treatment for Molecular Rearrangement of Sprayed Polymer Field-Effect Transistors,” ACS Appl. Mater. Interfaces, 4 214-21 (2012).

6. M. S. Wilm and M. Mann, “Electrospray and Taylor- Cone Theory, Doles Beam of Macromolecules at Last,”

Int. J. Mass Spectrom., 136 167-80 (1994).

7. W. J. Li, C. T. Laurencin, E. J. Caterson, R. S. Tuan, and F. K. Ko, “Electrospun Nanofibrous Structure: A Novel Scaffold for Tissue Engineering,” J. Biomed.

Mater. Res., 60 613-21 (2002).

8. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A.

A. Firsov, “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,” Science, 306 666-69 (2004).

9. W. B. Choi, D. S. Chung, J. H. Kang, H. Y. Kim, Y.

W. Jin, I. T. Han, Y. H. Lee, J. E. Jung, N. S. Lee, G. S. Park, and J. M. Kim, “Fully Sealed, High-Bright- ness Carbon-Nanotube Field-Emission Display,” Appl.

Phys. Lett., 75 3129-31 (1999).

10. F. Ko, Y. Gogotsi, A. Ali, N. Naguib, H. H. Ye, G.

L. Yang, C. Li, and P. Willis, “Electrospinning of Continuons Carbon Nanotube-Filled Nanofiber Yarns,”

Adv. Mater., 15 1161 (2003).

11. N. W. S. Kam, M. O'Connell, J. A. Wisdom, and H. J. Dai, “Carbon Nanotubes as Multifunctional Bio- logical Transporters and Near-Infrared Agents for Selective Cancer Cell Destruction,” Proc. Natl. Acad.

Sci. U. S. A., 102 11600-605 (2005).

12. J. Han, H. Kim, D. Y. Kim, S. M. Jo, and S. Y. Jang,

“Water-Soluble Polyelectrolyte-Grafted Multiwalled Carbon Nanotube Thin Films for Efficient Counter Electrode of Dye-Sensitized Solar Cells,” ACS Nano, 4 3503-09 (2010).

13. R. Ruoff, “Graphene: Calling All Chemists,” Nat.

Nanotechnol., 3 10-11 (2008).

14. D. Li, M. B. Muller, S. Gilje, R. B. Kaner, and G. G.

Wallace, “Processable Aqueous Dispersions of Graphene Nanosheets,” Nat. Nanotechnol., 3 101-05 (2008).

15. S. Y. Jang, Y. G. Kim, D. Y. Kim, H. G. Kim, and S. M. Jo, “Electrodynamically Sprayed Thin Films of Aqueous Dispersible Graphene Nanosheets: Highly Efficient Cathodes for Dye-Sensitized Solar Cells."

ACS Appl. Mater. Interfaces, 4 3500-07 (2012).

16. A. I. Popov and D. H. Geske, “Studies on the Chemistry of Halogen and of Polyhalides. XIII.

Voltammetry of Iodine Species in Acetonitrile,” J.

Am. Chem. Soc., 80 1340-52 (1958).

김 영 곤

2011년 전북대학교 고분자·나노공학과 학사 2011년-현재 과학기술연합대학원대학교 나노재

료공학 석사과정

장 성 연

2004년 Polymer Program, Ph.D. University of Connecticut

2004-2006년 UC Berkeley, Chemical E.

Post-doc Researcher 2006-2011년 한국과학기술연구원, 나노하이브

리센터, 선임연구원

2011-현재 국민대학교 생명나노화학과 조교수