보도자료

2016. 06. 18.(토) 오전 5시부터 보도해 주시기 바랍니다.

^*이 보도자료는 한국연구재단 주관으로 배포됐음을 알려드립니다.

新전극물질 개발을 통한 염료감응 태양전지 상용화 길 열어

셀레늄이 도입된 그래핀 촉매의 안정성과 전지효율 개선 입증

□ 국내 연구진이 태양빛을 이용해서 식물이 광합성을 하듯이 전기를 생산하는 염료감응 태양전지*의 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 전극용 물질을 개발했다.

^*염료감응 태양전지 : 염료감응 태양전지는 산화·환원 전해질로 구성되어 있으며, 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지이다.

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 백종범 교수팀(울산과기원)이 기계화학적 공정을 통해 이종원소 중 하나인 셀레늄(Se)을 그래핀에 세계 최초로 도입하여(그림 1 참조), 차세대 태양전지 중 하나인 염료감응 태양전지용 상대전극** 재료를 개발하였다.

^**상대전극 (환원 전극): 전해질에 전자를 제공하여 산화된 전해질을 원래의 상태로 환원시켜주는 역할을 하는 전극.

□ 본 연구결과는 세계적 자연과학분야 권위지인 사이언스 어드밴시스 (Science Advances) 6월 17일자 온라인판에 게재되었다.

논문명: Edge-selenated graphene nanoplatelets as durable metal-free catalysts for iodine reduction reaction in dye-sensitized solar cells

o UNIST 주명종 연구부교수(제1저자), 전인엽 박사 (공동 제1저자), 백종범 교수(공동교신저자), 카이스트 김용훈 교수(공동교신저자), 고려대(세종) 김환규 교수 (공동교신저자)

□ 그래핀은 뛰어난 물리적, 전기적, 화학적 성질을 지녀, 다양한 분야에서의 높은 응응 가능성으로 인해 차세대 꿈의 신소재로 각광을 받고 있다.

□ 탄소로만 구성되어 있는 그래핀은 전기화학적으로 활성이 낮아, 이종원소 도입을 통한 분극화***로 전기화학적 활성을 높여야 한다.

^***분극화: 물질내 전자 분포상태가 비편재화된 현상.

o 그러나 기존의 그래핀 제조 방법으로는 이종 원소를 도입하는데 많은 어려움이 있고, 그래핀의 우수한 특성을 희생하고 만들어 지는 단점이 있어, 다양한 분야에 응용하는데 한계가 있었다.

□ 백종범 교수팀은 기계화학적 공정을 통하여 이종원소 중 하나인 셀레늄을 그래핀에 세계 최초로 도입하였으며, 셀레늄이 그래핀의 가장자리에만 선택적으로 도입되었음을 투과전자 현미경으로 확인하였다(그림 2 참조).

o 동 결과는 기존의 이종원소 도입방법과는 달리, 그래핀의 결정성을 손상하지 않아 우수한 전기적 특성을 유지한 상태에서 셀레늄을 가장자리에만 도입하여 전기화학적 촉매특성을 극대화 할 수 있었다.

□ 셀레늄이 도입된 그래핀은 염료감응 태양전지용 전해질인 코발트 및 요오드 환원용 촉매로 특성을 평가하였을 때, 우수한 전기화학적 특성을 보일 뿐만 아니라, 1,000번을 사용한 후에도 최초의 전기화학적 특성을 그대로 유지할 정도로 슈퍼 안정성을 보였으며, 두 전해질 모두에서 백금을 능가하는 전지효율을 보여주었다 (그림 3 참조).

□ 백종범 교수는“염료감응 태양전지의 상용화를 가로막던 원인 중 하나가 비싼 백금 촉매를 대체할 수 있는 새로운 소재개발이 늦어진 것”이라며 “셀레늄이 도입된 그래핀이 백금 전극을 대체하게 되면 염료감응 태양전지 상용화에도 기여할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

자료문의

한국연구재단 홍보실: (042)869-6111

울산과학기술원: 백종범 교수 (052)217-2510

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

○ 빠른 산업화와 인구 증가로 인해 에너지 사용량의 급격한 증대 및 이로 인한 지구 온난화와 같은 환경 문제 등으로 인해 기존의 화석 연료의 사용에 대한 회의적인 분위기가 팽배해져 있다. 이를 극복하기 위해서 새로운 대체 에너지원에 대한 연구가 많이 이루어지고 있는데 이 중에서 염료감응 태양전지 또한 많은 관심 대상 중 하나이다.

○ 1990년대 초 스위스의 그라첼 교수에 의해 세계 최초로 개발된 이후 상용화에 여러 가지 문제점이 있어 왔다. 상용화를 방해하는 여러 문제점 중에서 특히 고가의 백금 촉매를 대체할 수 있는 개발이 늦어지는 문제가 가장 크다고도 할 수 있다. 현재 가장 많이 사용되는 백금 촉매는 비싼 가격과 더불어 안정성에 있어서 상용화에 필요한 수준에 도달하지 못해 백금 촉매의 대체 또는 담지량의 최소화에 대한 연구가 많이 이루어졌다.

○ 이들 연구 중에서 탄소 물질의 뛰어난 안정성에 기반을 둔 이종 원소가 도입(도핑)된 탄소 물질이 주목을 받고 있으며, 특히 우수한 전기적, 물리적, 화학적 특성을 지닌 그래핀을 이용한 연구가 많이 이루어지고 있다. 하지만, 그래핀은 전기화학적으로 활성이 낮아 이종원소 (N, P, S, F, Cl, Br, I)의 도입을 통해 그래핀에 전기화학적 활성을 부여하는 실험이 주를 이루고 있다.

○ 하지만 이들은 고전압을 발현하는 염료감응 태양전지용 코발트 전해질에서는 우수한 촉매특성을 발현하지만, 고전류용 전해질인 요오드에서는 백금전극에 비해 상대적으로 낮은 촉매활성 및 안정성을 보여주었다. 또한 탄소를 기반으로 하는 전극소재에서 요오드 환원반응 메카니즘은 백금전극에서 나타나는 반응 메카니즘과 다르며, 현재까지 정확하게 규명이 되지 않은 상태이다.

○ 따라서 본 연구팀은 전기화학적인 방법과 계산화학을 결합하여 탄소소재 기반 요오드 환원반응 메카니즘을 세계 최초로 규명하였다. 이러한 연구결과를 기반으로 이종원소 외에 준금속계 원소를 그래핀에 도입하여 새로운 특성을 부여함으로써 기존의 그래핀 또는 그래핀유도체들이 발현하지 못했던 우수한 특성을 지닌 새로운 그래핀의 제조가 가능하리라 여겨진다.

2. 연구내용

○ 본 연구팀은 기존의 그래핀 제조 공정으로는 보여주지 못했던 새로운 전기화학적 특성의 부여 및 여러 단점 보완하기 위해 기계화학적 공정을 통해 가장자리만 선택적으로 셀레늄이 도입된 그래핀을 제조하였다.

○ 투과전자현미경을 이용해서 셀레늄이 그래핀의 가장자리에만 선택적으로 도입되어 있음을 확인하였고(그림 2), 코발트 및 요오드 환원용 촉매로서 우수한 전기화학적 특성을 보여주었다. 특히, 도핑된 셀레늄으로 인해 탄소소재가 요오드 전해질에서 우수한 촉매특성을 발현한 사례로서는 세계최초이며, 전기화학적 특성이 천(1,000) 번사용 후에도 최초의 특성을 그대로 유지할 정도의 슈퍼 안정성을 보여주었다.

3. 기대효과

○ 기존의 그래핀 제조 공정으로는 제조할 수 없었던, 셀레늄이 도핑된 그래핀을 새로운 기계화학적 공정을 이용하여 쉽게 제조함으로써, 지금까지 보고되지 않은 더 다양한 특성을 발휘할 수 있는 그래핀을 제조할 수 있는 길이 열렸다. 기계화학적 공정을 통해 제조된 그래핀의 다양하고 우수한 특성은 그래핀이 더 많은 분야에서 더 빠르고 쉽게 응용될 수 있는 밑거름이 될 것으로 예상되며, 향후 그래핀의 상용화를 앞당기는 계기가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

셀레늄이 그래핀의 가장자리에 선택적으로 도입된 세계최초 사례.

2. 어디에 쓸 수 있나

에너지변환 및 저장소재, 촉매, 난연제 등 다양한 분야에서 사용될 수 있음.

3. 실용화까지 필요한 시간은

1~2년

4. 실용화를 위한 과제는

대량 생산을 위한 공정의 최적화 및 다양한 응용 분야에 대한 추가 연구가 필요함.

5. 연구를 시작한 계기는

기존의 그래핀이 보여주지 못한 새로운 특성을 보여주는 새로운 그래핀을 제조하기 위해 셀레늄으로 그래핀을 도입하는 연구를 시작했음.

6. 에피소드가 있다면

너무 쉽고 간단하게 그래핀을 제조하는 공정으로 인해, 본 기술에 회의적인 사람들이 많아 설득에 많은 애를 먹었음.

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

그래핀 상용화의 달성으로 대한민국의 새로운 먹거리의 창출 및 경제 성장에 이바지하고 싶음.

8. 신진연구자를 위한 한 마디

열정과 자신감을 가지고 성실히 연구한다면 좋은 연구 결과를 얻을 수 있을 것임.

[붙임] 용어설명

1. SCIENCE ADVANCES 誌

자연과학 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 사이언스(SCIENCE)의 자매지로 자연과학전문지.

2. 그래핀 (Graphene)

탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질.

3. 염료감응태양전지(dye-sensitized solar cell)

염료감응 태양전지는 산화·환원 전해질로 구성되어 있으며, 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지이다.

[붙임] 그림 설명

그림 1. 기계화학적 공정에 의한 셀레늄이 도입된 그래핀 제조 모식도: 금속볼의 운동에너지에 의해 분쇄된 흑연의 탄소-탄소 결합이 끊어지면서 활성 탄소가 생성되고 이렇게 생성된 활성탄소의 높은 반응성이 탄소-셀레늄 결합을 형성함으로써, 이종 원소인 셀레늄이 그래핀의 가장자리에 선택적으로 도입된다.

그림 2. (a) SeGnP 이미지. (b,c,d) 원자 분해능 투과전자현미경 이미지. (E,F) 역 고속 푸리에 변환 (IFFT)이미지. 이미지는 공통적으로 그래핀의 가장자리만 선택적으로 셀레늄이 도입되어 있다는 것을 보여주고 있다. 또한, 원자 분해능 투과 현미경으로 탄소(77 pm)와 셀레늄 (115 pm) 원소의 크기가 확연하기 때문에 세계최초로 이종원소인 셀레늄이 도입되었음을 시각적으로 보여준 첫 사례이다.

그림 3. 전류-전압 특성. 코발트 및 요오드 전해질 모두에서 백금을 능가하는 태양전지효율을 보여준다.

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