친환경 나노입자 제조 방법 :: 산업뉴스

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<사진. 유기물 기반의 태양전지에 사용될 수 있는 폴리머 나노입자를 중합하고 있는 이번 연구진
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

친환경 나노입자 제조 방법

매사추세츠 주립대학(University of Massachusetts)의 연구진은 다양한 길이 크기로 나노입자의 분자 조립을 제어할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이 방법은 유기 광발전장치와 다른 전기적 장치를 더 빠르고 더 저렴하며 더 친환경적으로 제조할 수 있게 할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 게재되었다.

이 새로운 기술은 다음과 같은 두 개의 주요 목표들을 달성했다: 이 방법은 분자 조립을 제어할 수 있고 클로로벤젠과 같은 독성 용매를 사용하지 않았다. 현재, 이번 연구진은 물 기반의 시스템 속에 이런 조립을 제어할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이것은 기존의 문제들을 해결할 수 있는 완벽하게 새로운 방법이다. 이 기술을 이용하면, 원하는 구조를 정확하게 달성할 수 있다.

이 연구는 미 에너지부에 의해서 지원되었다. 이 연구의 가장 큰 의미 중 하나는 유기 광발전 장치 또는 태양전지에서 매우 유용하게 적용될 수 있다는 것이다. 이 기술은 장치 구조를 만들기 위해서 재료들을 조립할 수 있는 매우 유망하고 유연하며 친환경적인 새로운 방법을 제공한다.

이번 연구진은 매우 얇은 층을 표면 위에 조립하기 전에 수용액 속에서 스스로 반응하도록 구체 패키징(sphere packing)을 사용할 수 있는 방법을 발견했다. 이번 연구진은 몇 개의 예측 가능한 특성을 가진 기본적인 빌딩 블록을 재조립할 수 있었는데, 이것은 복잡한 장치를 만들 수 있게 했다.

이것이 완성된 것이 아니라 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 특정 전류 방향 또는 강도를 가지도록 특성들을 조정할 수 있다. 모든 모듈들은 특정 방향으로 전자 가용성을 제공하는 능력을 가지도록 조정될 수 있다. 이번 연구진은 이런 가용성이 조정될 수 있다는 것을 증명했다.

이 새로운 방법은 태양전지, 유기 트랜지스터, 유기 광발광 다이오드와 같은 전자장치를 위한 재료 검색 시간을 감소시켜 준다. 이전 방법은 몇 년이 걸릴 수 있다. 또 다른 주요 목적은 폴리머 나노입자를 나노크기에서 중간 크기까지 확장시키는 것이다. 이번 연구진은 이것을 달성하는데 성공했다. 또한 이 프로세스는 위험한 용액 대신에 물을 사용했기 때문에 훨씬 더 친환경적이다.

이번 연구진의 다음 목표는 전력 변환 효율을 향상시키고 플렉서블 기판으로 적용될 수 있는 다른 폴리머를 이용해서 장치를 만드는 것이다. 이번 연구진은 유리 위에서 연구를 수행했지만, 플렉서블 재료로 바꾸기를 원하고 있고, 물을 가진 재료를 롤-투-롤(roll-to-roll) 방법으로 제조하기를 원하고 있다. 이번 연구진은 실제로 훨씬 더 큰 효율을 얻을 수 있을 것으로 예상했다. 이번 연구진은 5%의 전력 변환 효율을 가진 작고 플렉서블한 태양전지 패널이 스마트폰과 같은 휴대용 장치에 전력을 공급할 수 있을 것이라고 제안했다.

평균적으로 스마트폰은 5와트의 전력을 사용하고 미국의 모든 사용자(3억 7백만 명)가 배터리를 플렉서블 태양전지로 전환할 수 있다면, 연간 1500 메가와트(megawatt) 이상을 절감할 수 있다. 이것은 거의 핵발전소 한 개의 출력에 해당한다. 만약 화력 발전소가 1 메가와트의 전력을 생산하기 위해서는 이산화탄소를 2,250 lbs 방출한다. 따라서 66억 명의 휴대폰 사용자가 태양전지로 전력을 공급받을 수 있다면, 많은 탄소 방출을 절감할 수 있을 것이다.

이런 방식으로 만들어진 유기 태양전지는 반투명하다. 그래서 이 태양전지는 고층건물의 착색 유리로 사용되고, 태양이 내려쬐는 동안에 전기를 생산할 수 있다. 이런 방법은 기존의 방법에 비해서 훨씬 더 저렴하고 태양전지를 더 청정하게 만들 수 있게 한다.

이것은 빌딩 블록을 형성하기 위해서 유사한 크기의 대전된 나노입자가 함께 집적될 수 있게 한다. 이번 연구진은 중간 크기로 조립된 잘 알려진 구조를 형성하기 위해서 나노크기 구조를 만드는데 성공했다. 이 연구결과는 태양전지 재료로서 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr