우리의 미래인 태양전지와 그래핀의 관계

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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http://solarfollowers.tistory.com/483 <- 미래의 모습 강추!!!!! 꼭 보고 밑에 글 봐주세요

1. 그래핀을 소개 합니다.

2009년 물리노벨상을 수상한 그래핀입니다...2011년부터 많은 자료들이 나오고 있으며 왠만한 모든 대학에서는 그래핀의 활용도에 대해서 학생들의 교육과 실험을 진행중에 있습니다.

그러면 이 그래핀이 무엇인지 ^^ 궁금증을 풀어 볼까요?

연필심으로 쓰이는 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는(ene)을 결합해 만든 용어입니다. 가능성이 많은 물질이지만 당장 가시원에 있는 발전 분야는...실리콘을 대체할 수 있는 반도체로서뿐만 아니라 ITO 투명전극 등 기초전자소재를 대체할 차세대 신소재로서 떨어져도 화면이 깨지지 않고 화면을 반으로 접거나 돌돌말았다가 펴서 신문처럼 볼 수 있는 디스플레이가 나올 전망입니다.

아래의 그림은 하얀색 하나가 C(탄소) 하나이며 이 탄소가 6개가 모여 벤젠구조를 가지고 있습니다. 이러한 벤젠들이 평면으로 결합된 형태가 그래핀입니다.

 

그 아래 그림은 그래핀이 들어간 플랙시블한 화면을 보여주고 있습니다.

출처 : 위키백과

                   

 

 

 

 

 

출처 : 한국경제

 

2. 그래핀 장점

(1) 뛰어난 물리적 강도 : 강철의 200배 이상인 1,100 GPa로 알려지고 있습니다. 그 이유는 모든 물질마다 고유의 갈라짐(Crack)이 있는데요. 그래핀은 탄소 결합(C-C-C-C)이 빼곡히 있어 단단합니다.

(2) 우수한 열 전도성 : 실온에서 약 500 W/m K으로 알려지고 있습니다. 이는, 구리나 알루미늄 같은 금속보다는 10배정도 큰 값 입니다. 이것은 그래핀이 원자진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문입니다. 이러한 우수한 열 전도성은 전자의 긴 평균 자유 행로에도 영향을 줍니다.

* 백색화 현상 : 열의 전달이 잘 안된다면 한부분에만 열이 집중되 그 물질이 변형을 일으킬수도 있습니다. 현재 낮은 전력으로 구동하는 핸드폰 액정에 쓰이는 OLED를  대형화 시키지 못하는 이유가 여기에 있습니다. 앞으로 그래핀만 계발이 잘 된다면 열 전달이 잘되 OLED로 영화관만한 크기의 화면을 감상하실수 있을 겁니다^^

(3)플렉시블(종이처럼 얇고 자유자제로 움직임의 뜻) 가능성 : 그래핀의 경우 10 % 이상 면적을 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않습니다. 이러한 유연성으로 인하여 그래핀을 휘게하여 플러린과 같은 공모양의 물질이나 탄소나노튜브 등을 만들어 낼 수도 있고 플렉서블 디스플레이의 투명 전극으로도 활용이 가능합니다.

*참고 : http://solarfollowers.tistory.com/331 <--플렉시블에 관한 내용

(4) 저항이 낮다 : 빠른 전자이동도와 전자의 긴 평균 자유행로를 가지는 그래핀은 상온에서 그래핀의 최대 전자 이동도는 200,000 cm/V s입니다. 이것은 그래핀의 경우 전자가 움질일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작기 때문으로 알려지고 있으며 이로 인하여 긴 평균 자유 행로를 가지게 됩니다. 따라서 저항이 매우 낮은 구리보다도 35 % 이상 저항이 낮은 값을 지닙니다.

(5) 모든 액정 화면에 들어가는 ITO 대체 :  현재 투명전극으로 사용 중인 산화 인듐 주석(ITO)은 유리 재질이 들어가 부서지기 쉽기 때문에 유연한 디스플레이를 만들 수 없습니다. 게다가 인듐 매장량이 눈에 띄게 줄어들고 주 매장지인 중국이 인듐 가격을 올리고 있어 대체재가 필요한 상황입니다. 하지만 그래핀은 전도성이 높고 투명해서(가시광선 영역에서 98% 정도), 기계적 성질이 우수하여 유연한 디스플레이를 만들 가능성을 열어 주는 등 기존의 ITO가 가지는 문제점을 한 번에 해결할 수 있습니다.

3. 그래핀과 태양전지

그래핀에서 전자는 빛처럼 행세합니다. 빛이 진공에서 초당 30만 km라는 일정한 속도로 이동하듯, 전자는 그래핀에서 초당 1,000km로 일정한 속도로 움직입니다. 뿐만 아니라 전자는 그래핀에서 특이한

터널링 현상을 보였습니다. 터널링 현상은 입자가 벽을 뚫고 지나가는 것으로 양자세계에서만 나타나죠.

터널링 현상 이란? :  에너지 장벽(band gap)이 높을수록 터널링 현상은 적게 나타납니다. 그래핀에서의 전자는 이런 벽도 허물어버립니다. 마치 벽이 가로막고 있지 않은 것처럼 움직이는 것이죠. 이러한 장점을 이용해 태양전지에 쓰인다면 높은 효율을 얻을수 있습니다.(그래핀이 사용할수 있는 산업의 범위는 수백가지가 된다고 전문가들은 말했습니다.)

(1) CIGS 에서 C(GG)S 로..(http://solarfollowers.tistory.com/421 <- CIGS관련 기사)

C(구리),I(인듐),G(갈륨),S(셀레늄) 에서 C(구리),G(그래핀),G(갈륨),S(셀렐늄)로 바꾼 유기 태양전지에서도 그래핀을 이용한 태양전지가 계발되고 있습니다. 2011년 한중일 부산 태양에너지학회때는 그래핀의 적층횟수와 그래핀의 정공 수송능력 상대 전극에 따른 다양한 연구 결과등이 있었습니다. 인듐을 대신할 값싼 물질로 대처가 된다면 그 가치는 어마어마 해질것 입니다.

현재 상용화 문제점은 그래핀을 컨트롤할 기술과 대량화 할 기술이 없다는 것뿐 많은 효율 개선 방안이 있습니다.

(2) 염료감응형에 들어가는 ITO -> 그래핀으로

21세기 염료감응형 태양전지는 많은 장점이 있지만 효율성이 낮다는 단점을 가지고 있습니다. 이 단점을 극복하기 위해 그래핀입니다. 그래핀은 벌집모양 구조를 가지고 높은 전기적 전도성을 가지고 있기 때문에 효과를 기대 하고 있습니다. 실제로 TiO₂에 그래핀을 소량만 첨가 했을때 전도성이 52.4%가 향상된 사실을 발견했습니다. 그래핀들이 TiO2 들 사이사이 공간을 그래핀이 다리역활을 해 전자들이 자유롭게 움직이게해서 이러한 결과가 나왔다고 합니다. 하지만 과유불급이라고 있듯이 많은 양의 그래핀을 사용하면 태양전지 태양광 흡수율이 떨어져 오히려 역효과가 있다고 합니다.

(3) 유기태양전지에 그래핀

양극(그래핀)/PEDOT:PSS/CuPc/C60/BCP/Ag로 연구하고 있습니다. 만들어지는 과정 중 PMMA(Poly(methyl methacrylate))가  첨가 되는데 이 물질이 마지막까자 남아 효율을 떨어 트립니다. 이 PMMA가 정확히 제거가 된다면 값싸고 저분자 태양전지 소자 효율이 크게 향상시킬수 있을것입니다.

(4)순수 그래핀으로만 발전하는 태양전지로

그래핀은 얇고 투명하기 때문에 햇빛을 잘 받아 태양전지에도 쓰일수 있습니다. 하지만 기존의 태양전지에 비해 효율과 양산형 매우 낮지만 이 부분에서는 계속 연구 보안이 되고 있습니다.

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4. 그래핀 제조 방법

(1) 기계적 박리법(태이프로 흑연에서->그래핀)

기계적 박리법은 반데르발스 결합(물질 결합의 힘 세기)의 약한 결합으로 이루어져 있는 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 떼어내는 것입니다. 마치 연필심에서 얇은 막이 부드럽게 벗겨져 나오면서 글씨가 써지듯이 마찰을 이용해 흑연 결정으로부터 그래핀을 만드는 것입니다. 

단점으로는 한번에 얻을 수 있는 크기가 마이크로미터 수준이기 때문에 최종 수율이 극히 낮습니다.

그래핀의 π-궤도함수의 전자가 표면상에 넓게 펴져 분포하면서 매끈한 표면을가지기 때문에 가능합니다. 이러한 특성을 이용하여 초창기에는 주사탐침에 마이크로미터 크기의 흑연 결정을 붙인 후에 기판 위에서 미끄러뜨리면서 단층 그래핀을 만들고자 했습니다. 다른 연구단에서는 스카치테이프의 접착력을 이용하여 단층 그래핀을 분리하는 방법을 개발하였는데요.~ 이후 이론으로만 예측되어 왔던 반정수 양자홀 효과를 측정하여 보고하면서 그래핀은 전 세계적인 주목을 받기 시작했습니다. 이렇듯 기계적 박리법은 시료준비의 간단함으로 인해 그래핀 연구를 빠르게 확산시키는데 매우 결정적인 역할을 하였지만 그 크기가 마이크로미터 수준에 불과하기 때문에 실제 응용적인 측면에서는 많은 제약이 있습니다.

(2) 화학적 박리법(흑연산화->용액에 분산->환원)

화학적 박리법은 흑연결정으로부터 박리된 그래핀 조각들을 화학적 방법을 통해 용액 상에 분산시키는 것을 의미합니다. 흑연을 산화시킨 후에 초음파 등을 통해 파쇄하면 수용액 상에 분산된 산화 그래핀을 만들 수 있으며 이를 하이드라진 등의 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 되돌릴 수 있습니다. 이렇게 분산된 그래핀 용액은 자기조립 과정을 통해 넓은 면적의 필름을 형성할 수 있습니다. 그러나 산화 그래핀이 완전히 환원되지 못하고 결함을 많이 남기기 때문에 전기적 성질이 떨어진다는 단점이 있습니다.

이에 비해 산화과정을 거치지 않고 계면활성제 등을 이용하여 바로 분산시키는 방법을 통해 제조된 그래핀 필름은 개선된 전기적 특성을 보여줍니다. 그러나, 이 경우에도 마이크로미터 크기의 작은 그래핀 조각들 사이의 층간 저항으로 인해 실용적인 수준의 면저항 특성을 보여주지 못합니다.

하지만 화학적 박리법에 의해 만들어진 그래핀 분산용액은 다른 물질과의 복합체 형성을 통해 매우 다양한 용도로 사용될 수 있는 장점이 있습니. 또한 산화 그래핀을 적층하여 만든 종이는 탄소나노튜브에 버금가는 놀라운 기계적 강도를 보여주므로 대량 생산시 구조재로서의 활용 또한 가능할 것으로 보입니다.

 

(3)화학증기 증착법(흑연을 가열해 기체화 -> 촉매층에 흡착 -> 촉매층 제거)

화학증기 증착법은 탄소가 분산된 고온의 기체를 관에 흘려 탄소가 좋아하는 기판위에

(촉매)  한장한장 쌓는 방법입니다.

고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용합니다.!!!

a) 촉매층으로 활용할 니켈/구리 등을 기판 위에 증착시킵니다.

b) 약 1000 oC의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아 들어가거나 흡착하게 합니다.

c) 이후 냉각을 통하여 촉매 층에 포함되어 있던 탄소원자들을 표면에서 결정화시킴으로서 그래핀 결정구조를 형성하게 됩니다.

이렇게 합성된 그래핀은 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후 원하는 용도에 맞게 사용할 수 있습니다.

변동사항은 촉매의 종류와 두께, 반응시간, 냉각속도, 반응가스의 농도 등을 조절함으로써 그래핀 층수를 조절하는 것이 가능하다고 보고 되어 있습니다.

(4) 에피택시 합성법(성장형)

이 방법은 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 표면의 결을

따라 그래핀으로 성장하는 것이다.

SiC의 경우는 고온에서 결정 내에 포함되어 있던 탄소가 표면으로 분리되면서 그래핀으로 성장하며 Ru 등에서는 흡착된 그래핀이 표면에서 확산되면서 그래핀 고유의 벌집모양의 구조를 형성합니다. 두 경우 모두 결정표면의 패턴이 그래핀의 결정구조와 비교적 잘 맞는 것을 확인할 수 있습니다. 이방법을 이용하면 결정성이 웨이퍼 크기정도까지 균일한 그래핀 필름을 합성할 수 있지만 기계적 박리법이나 CVD 방법에 의해 성장한 그래핀보다 상대적으로 전기특성이 좋지 못할 뿐 아니라 기판이 매우 비싸고 소자를 제작하기가 매우 어렵다는단점이 있습니다.

(5) 유기 합성법(스즈키 방법)

이 방법은 2010년 화학 노벨 물리학상을 받은 일본의 스즈키 방법입니다. 지금까지는 벤젠과 벤젠을 결합시키기 위해서는 수많은 공정을 거쳐야만 했지만 이 방법은 Pd(팔라듐)을 촉매로 이용을해 수많은 공정을 없애고 벤젠과 벤젠을 결합하는 방식이며 이미 OLED와 같은 전자 산업분야에서는 활발히 쓰이고 있는 실정입니다.

재료로는 테트라페닐 벤젠을 이용한 것입니다. 테트라페닐벤젠에 탄소-탄소 결합을 이용하여 두 개의 방향족을 결합시켜 헥사페닐벤젠으로 만듭니다. 염화철을 산화제로 사용하면 헥사페닐벤젠의 축합 중합이 가능죠^^;; 이렇게 되면 폴리페닐벤젠이 만들어지고, 이들 탄소 사이에 결합들이 각각 생기면서 그래핀이 만들어 집니다.이 방법은 안전하면서도 쉽게 그래핀을 만들 수 있다는 장점이 있습니다.  하지만 순도의 문제점을 가지고 있는데 단점입니다.

 

5. 그래핀의 미래

반도체의 주 원료인 실리콘을 대신할 물질 그래핀.. 모든 투명액정화면에 들어가는 인듐을 대신할 물질인 그래핀. 이 두 시장을 교체를 한다는건어마어마한 가능성을 가지고 있다는 것 입니다. 현재 특허 기술권은 외국이 가지고 있지만 우리나라는 현재 생산특허를 많이 가지고 있습니다. 이 물질만 지속적으로 계발해 나간다면

대한민국은 계속 IT 강국으로 자리 매김 할것입니다.

6. 참고문헌

해외과학기술동향

녹색기술

위키백과

글로벌동향브리핑

중앙대학교 화학공학과 - 그래핀에 대해서(국회도서관)

S.F 1기 권순일

(ksi926@naver.com)