고분자 과학과 기술 제 22 권 4 호 2011년 8월 359
배터리 성능을 개선하기 위한 그래핀 샌드위치
미 에너지부(Department of Energy) 산하의 로렌스버클리 국립연 구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 연구팀은 재생 가능 한 리튬이온 배터리의 에너지 저장능력을 개선하기 위하여 그래핀 (graphene)과 주석(tin)으로 이루어진 나노복합물질을 제조하고 있다.
연구진은 그래핀 시트(sheet) 사이에 주석을 삽입하여 배터리의 성능을 보강할 수 있는 새로운 샌드위치(sandwich) 구조를 만들었다. 버클리연 구소 Molecular Foundry 센터의 연구원이자 이번 프로젝트를 이끌고 있는 Yuegang Zhang는 “전기자동차용 배터리는 빠른 속도로 충전이 가 능해야 하며, 충방전 사이클이 반복되는 동안에도 충전용량을 유지할 수 있어야 한다.” 라고 말한다. 그는 “이번 연구의 목적은 첨가제나 바인더 가 필요하지 않은 합리적인 나노단위의 구조체를 설계하여 배터리의 성 능을 향상시키는 것이다.”라고 덧붙였다. 단일 원자 두께를 가진 그래 핀은 육각형의 철조망 같은 탄소 격자를 갖고 있으면서 뛰어난 전기 및 기계적 특성을 보여준다. 이 물질은 실리콘이나 다른 전통적인 반도체 물 질을 뛰어넘는 우수한 특성을 갖고 있다. 한편 Zhang이 실시한 과거 연 구에서는 그래핀의 전자소재 활용에 중점을 두었다.
이번 연구에서 연구팀은 나노단위의 복합재료를 만들기 위해 그래핀과 주석이 교차하는 층을 만들었다. 복합물질을 제조하기 위해 연구진은 얇 은 주석박막을 그래핀 층 위에 증착하였다. 그리고 또 다른 그래핀 층이 주석 박막 위에 위치하도록 하였다. 이러한 공정이 반복되는 과정을 통해 복합재료 물질을 만들 수 있었으며, 수소 및 아르곤 존재 하에서 300도까 지 가열 처리하였다. 열처리 공정을 통해 주석 막은 기둥 모양(Pillars) 으로 전환되어 주석 층의 높이가 증가하게 되었다(그림
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). 박막 주석의 나노필러 형성은 이러한 시스템을 차별화하는 요소이다.Energy and Enviromental Science 저널에 발표된 이번 연구결과 논문의 주 저자이자 이
번 연구에 참가하고 있는 Liwen Ji는 주석 층의 높이변화에 적응하기 위해 그래핀 층 또한 변화한다는 사실을 발견하였다고 말한다. 새로운 나노복합물질에서 주석의 부피 변화가 전극의 성능을 개선시켜 주기 때 문에 그래핀 층의 높이변화는 배터리의 전기화학적 사이클에 도움을 준 다. 또한 주석 층의 높이변화에 적응하려는 행동은 배터리의 성능저하 없이 빠르고 반복적으로 충전을 수행할 수 있다는 것을 의미한다.그림 3. 그래핀 샌드위치 제조 및 구동모식도
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Energy Environ. Sci., DOI: 10.1039/C1EE01592C>
나노 매트릭스 내에 유기염료를 캡슐화한 다중 색 생체표시체
유기 형광체들은 형광 표시체로 폭넓게 사용되지만, 광퇴색에 낮은 저 상성, 낮은 양자 효율, 광 특성 같은 약점을 가지고 있다. 이러한 문제들 을 해결하기 위하여, 초분자 구조와 물질(SKLSSM)의 주립 중점 연구
소, 중국 지린 대학의 연구원들은 나노 폴리머 매트릭스 내로 유기 염료들 을 캡슐화함으로써 새로운 매우 안정된 다중색 생체 표시체를 개발했다 (그림
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).충전된 유기 염료들은 흡수되거나 PMMA 나노 입자들(NPs)에서 포 함되었다. 이때 PMMA NPs의 전하들은 서로 다른 이니시에이터들을 선택함으로써 조정되었다. PMMA NPs가 포함된 염료의 조합은 광특성, 예를 들어 양자 효율과 비광퇴색을 향상시킨다. 또한, 이러한 형광 염료 의 광안정성은 PMMA NPs에 포함될 때 증가되었다. 조절될 수 있는 전 하와 다양한 조합 계획은 이러한 색깔이 다채로운 염료 PMMA 나노복합 체는 백혈병 세포들의 바이오 이미징을 위해 훌륭한 나노라벨들이 될 것 이다. 백혈병 세포들의 배양은 프로티어 메디컬 사이언스(Frontier Me- dical Science; IFMS), 지린 대학(Jillin University), 중국, 페이 선 교수 연구그룹의 협력자들과 함께 수행되었다. 반도체 양자점과 금속(Ag/
Au) 나노 클러스터들과 같은 유기 염료와 다른 형광체들은 금속 나노 클 러스터들이 안정성을 향상시키고 양자점의 유독성을 감소할 수 있는 폴 리머 NPs에 포함될 수 있다. 이에 따라 양자 점과 Ag 나노 클러스터들 의 조합에 대한 연구가 계속될 것이다. 질린 대학의 SKLSSM에서 연 구원들은 형광 물질과 라만 액티브 물질의 광특성을 향상시키기 위하 여 분투하고 있다. 게다가 폴리머 매트릭스들을 사용하여 광특성들이 다 양한 플라즈몬 물질들에 의해 향상될 수 있다. 금속 향상 형광(metal enhanced fluorescence, MEF) 효과는 형광 염료들의 양자 수율을 향 상하는데 적용된다. 표면 향상 라만 스캐터링(surface enhanced raman scattering, SERS) 스펙트럼은 연구팀의 다른 연구 분야이다.
그림 4. 용액내 갭슐화된 염료와 갭슐화되지 않은 염료의 광안정성
<2011
Nanotechnology, 22, 275608, DOI:
10.1088/0957-4484/22/ 27/275608>
폴리머 발광 전기화학셀의 자기 전장발광 특성과 자기 전도성
자기전장발광(magneto-electroluminescence, MEL)과 자기전도 성(magneto-conductance, MC)이 SY-PPV(super-yellow poly (phenylene vynilene)) 폴리머 발광 전기화학 셀에서 조사되었다. 양수 의 MEL과 MC 관찰되었고, SY-PPV 폴리머 내의 폴라론의 상호연관성 을 산출한 폴라론 쌍 모델에 기초하여 자계응답을 분석하였다.
폴리머 발광 전기화학 소자(polymer light emitting electrochemical cells, PLECs)는 간단한 구조와 공기중 안정적인 전극 사용 때문에 OLED 를 대체할 수 있는 소자로 간주되지만, 활성층 내의 느린 이온 확산에 의 한 늦은 turn-on 시간상수와 짧은 수명은 PLEC의 응용을 제한하는 요 인이 된다. 최근, 이온 전달 재료의 화학적 연결을 통한 화학적으로 안정
360 Polymer Science and Technology Vol. 22, No. 4, August 2011 된 PLEC는 상대적으로 빠른 turn-on 시간과 긴 수명을 가질 수 있음
이 보고된 바 있다. 이 논문은 화학적으로 안정된 PLECs의 자기 전장 발광(MEL)과 자기 전도성(MC) 응답을 조사하고, 보통의 OLED 소자 와 비교, 그 메카니즘을 연구한 결과이다. PLECs는 질소 글로브 박스 내에서 ITO가 패턴된 유리 기판위에 준비되었다. 활성 폴리머를 위해 서, 550에서 650 nm에서 강한 PL밴드를 갖는 alkoxyphenyl sub- stituted poly(1,4-phenylene vynilene)과 dubbed SY-PPV를 사 용하였다. 이온 전달 재료는 TMPTMA와 LiCF3SO3를 사용하였다.
솔류션 혼합물은 ITO 기판위에 직접 스핀 코팅되었고, 소자는 알루미늄 전극으로 cap되었다. MEL과 MC 응답 측정은 광학 cryosta에서 측정 되었다. PLEC소자는 초기 15 V의 전압이 30분간 인가되어, ‘활성’되었 다. 그림
5(a)
는 인가 시간이 30분까지의 함수로 상온에서 전류와 빛의 방출 세기의 변화를 보여준다. 이 시간동안, 전류와 전장발광 세기는 시 간과 함께 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 소자가 활성화됨에 따라, 이 동 양이온, 음이온은 반대의 전극 접합면에 가까운 얇은 이중 레이어를 형성하기 위해 재분포된다(그림5(a)
내부 그림). 그림5(b)
는 전류-전 압특성과 전장발광 밝기-전압의 상관관계를 상온에서 측정한 결과이다.소자는 우수한 정류특성을 보이며, 단극 전류와 전장발광 방출 특성을 갖음으로서, 안정적인 p-i-n 접합의 형성을 암시하고 소자의 초기과정 중 전하 분리를 의미한다.
연구진은 낮은 자계에서의 PLEC의 MEL, MC 응답에 대해서도 조사 하였다. 두가지 중요한 발견은 MC 값이 MEL보다 약 10배 정도 작은 값 들을 가진다는 것이다. PP 모델에 따르면, MC는 대부분 서로 반대의 전하로 전하화된 PPs의 분해나 형성에 의해 야기된다고 한다. PLEC 와 같은 불균형 유기다이오드에서는 PP 생성확률은 소수 캐리어에 좌우 되는 반면, 전류는 다수 캐리어에 의해 결정되는 것으로 분석된다. 이 경 우에는 단 몇몇 주입된 다수 캐리어가 PPs를 형성하고, 많은 다수 캐리 어는 유기 접합면을 PP 형성 없이 통과하게 된다. 이들 캐리어는 전체
그림 5. (a) 전류와 빛의 방출 세기, (b) 전류-전압특성과 전장발광 발기- 전압 상관관계
적인 전류 밀도의 향상에 기여하게 되지만, MC에는 기여하지 않는다.
반대로 전장발광은 PP로부터 얻어지고, MEL은 PPs와 직접적 관련이 있다. 두 번째 중요한 점은, MEL, MC, 두 응답 모두 전압과 함께 그 응 답이 약해지기도, 넓어지기도 한다는 것이다.
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Appl. Phys. Lett., 98, 263302 (2011), DOI:10.1063/1.3605251>
전극에 폴리머를 고착시키는 전기 접착제
독일 로드윅 막시밀리안스 대학(Ludwig-Maximilians University) 의 연구진은 새로운 “전기 접착제(electric glue)”를 개발했고, 폴리머와 전극 간의 상호작용을 조사하였다. “전기 접착제”는 나노크기 장치를 만 들기 우해서 전류로 온/오프(on/off)를 전환시켜서 전극 표면에 폴리머 를 가역적으로 고착시키는데 사용될 수 있다. 최근에 전극 표면의 전위를 변화시켜서 DNA(바이오폴리머)를 금 전극에 가역적으로 접합시킬 수 있 다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 폴리머와 전극 간의 비공유 상호작용을 조사함으로써 이 분야를 한 단계 더 나아갈 수 있는 길을 열었다(그림
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).이 연구는 바이오센서와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.
전기 접착제는 인가 전압을 사용해서 활성화되거나 비활성화될 수 있고 본딩(bonding)은 반대 방향에서도 작동하도록 설계될 수 있다. 예 를 들어, 분리시켜서 표면 간의 상호 작용을 약화시키는데 인가 전압을 실제로 사용할 수 있다. Hermann Gaub와 연구진은 금 작업 전극을 만 들기 위해서 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM)을 사용 했다. 연구진은 AFM 팁에서 서로 다른 폴리머를 공유결합으로 부착시 켰고 이것을 금 전극 표면에 접촉시켰다. 그 후에 연구진은 폴리머를 전 극에서 떨어진 곳으로 이동시켰고 10 mV의 단위로 전극의 전위를 변화 시켰을 때 발생된 힘을 측정했다. 전극의 전위는 전극 표면의 산화와 환 원 반응을 조절했다. 폴리머-표면 상호작용은 이런 길이 척도에서 일반 화학과 물리학을 이해하는데 도움을 주고 나노크기 설계를 위한 기준을 제공한다. 이런 상호작용을 조절하는 것은 단일 분자 프로세스의 측정 과 제어를 위한 기초를 제공할 것이다. 전기 접착제에서 표면과 단일 분 자 간의 접착은 외부에서 제어된 전위를 기반으로 조절된다.
연구진은 3개의 서로 다른 종류의 폴리머를 조사했다: 중성 폴리에틸 렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG), 2,2-이오닌(ionene)(양으로 대전된 백본을 가짐), 음으로 대전된 바이오폴리머(4개의 염기 중에 3 개가 일차 아민을 포함하는 이중 사슬 DNA). 연구진은 “로보로그램 (roburogram)”으로 얻어진 데이터를 토대로 그래프를 만들었는데, 여 기서 파열 힘(rupture force)은 전위에 따른 값으로 정해졌다. 그래프 의 y축이 전류가 아니라 파열 힘이라는 것을 제외하고는 순환 전압 전 류법(cyclic voltammogram)과 유사하였다. 1 V 근처의 높은 인가 전압 (전극 산화 때문)로 인해서 폴리머와 전극 간의 상호작용이 거의 없었지 만 이런 부착은 전위가 감소되었기 때문에 증가했다. 실제로 상호작용반 응들은 PEG와 2,2-이오닌의 경우에 약 0.3 V의 전위에서 시작되는 것
그림 6. 전기 접착제의 작동 모식도
