나노기술 및 정책 정보

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­ 중국 간수성(甘肅省) 란저우시(蘭州市)에 위치하여 있는 ‘중국과학원(中國科學院)’ 산하 ‘란저우(蘭州) 화학물리 연구소’의 ‘고체 윤활(固體潤滑) 국가 중점 실험실’ 소속 ‘재료 표면/계면 연구팀’은 관련 과학연구 결과를 정리하여 ‘이산화 티타늄 나노 튜브 연구’라는 테마로 과학연구 논문을 작성하여 ‘재료 화학 학술지’에 공식 발표하였다. 동 과학연구 논문은 ‘재료 화학 학술지’ 2011년 5월 인터넷 버전에서 클릭 수가 제일 많은 10편 논문 중의 한 편으로 되었다.

­ 이번에 발표된 ‘이산화 티타늄 나노 튜브 연구’는 동 연구팀이 태양전지에 응용되는 ‘이산화 티타늄 나노 튜브 연구’에 대한 전체적인 총결로 된다. 이번에 발표된 ‘이산화 티타늄 나노 튜브 연구’에서는 ‘성능이 높은 태양전지 용 이산화 티타늄 나노 튜브 개발’, ‘이산화 티타늄 나노 튜브의 몇 가지 유형 태양전지 구조의 최적화’, ‘실제 응용 및 미래 발전’에 대해 상세히 논술하고 있다.

­ 최근 년 간, 클린적이고 재생가능한 에너지 연구는 전 세계 연구개발의 이슈로 되었다. 다양한 기술 중에서 태양전지 기술은 큰 관심을 받고 있다. 과학자들은 다양한 광전기 전환 재료를 개발하여 태양전지의 효율성을 향상시키고 있다. ‘아나타제(Anatase) 이산화티타늄’은 일종 환경 친화적인 광 기능 재료로서 특성이 안정적이고 원가가 저렴할 뿐만 아니라 <?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />비교적 높은 광촉매 성능과 광전기 전환 효율을 가지고 있어 최근 년 간 우수한 광촉매 재료와 태양전지 재료로 활용되고 있으며 향후 폭 넓게 응용될 것으로 전망된다.

­ ‘중국과학원’ 산하 ‘란저우 화학물리 연구소’의 ‘고체 윤활 국가 중점 실험실’ 소속 ‘재료 표면/계면 연구팀’은 최근 년 간 ‘이산화 티타늄 나노 튜브 개발 방법’, ‘구조 최적화’ 및 ‘태양전지 응용 연구’를 실행하여 계통적인 연구 성과를 달성하였다.

­ 연구팀은 ‘순서 배열 수준’이 매우 높은 ‘다공성 이산화 티타늄 나노 튜브 배열 재료’ 개발에 성공하였으며 ‘이산화 티타늄 나노 튜브 배열’에 대한 통제 가능한 성장을 실현하였는데 튜브 지름에 대한 통제 가능 범위는 20~250nm에 달하였으며 튜브 길이는 150nm~500μm에 달하였다. 이런 재료는 광촉매, ‘염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cells)’, ‘초소수성(Superhydrophobic)’ 등 분야에서 우수한 성능을 나타내고 있다.

­ 연구팀은 이런 연구결과에 기반하여 전도성 폴리머(Conductive polymer) 혹은 금속 나노 라인과 나노 튜브를 ‘이산화 티타늄 나노 튜브’에 침적시켜 상호 교체 배열된 ‘하이브리드 복합재료(Hybrid composite materials)’를 형성함으로써 ‘고 인성(High toughness) 이산화 티타늄 나노 튜브/전기 전도성 폴리머(반도체, 금속) 나노 라인과 나노 튜브 동일 축 재료’의 대면적 개발을 위해 새롭고 편리한 루트를 제공해 주었다.

­ 연구팀은 ‘폴리머/이산화 티타늄 태양전지 계면 결합력’을 개선하기 위해 새로운 ‘N-(3,4 다하이드로옥시 에틸(Dihydroxy ethyl))-피롤(Pyrrole)-2-포름 아미드(Formamide)-바이오닉 닻 고정제(Bionic Anchor Solid agent)’를 ‘이산화 티타늄 표면’에 부착하여 ‘피롤 단일체’로 하여금 ‘이산화 티타늄 나노 튜브’에서 전기 화학 중합을 발생시키도록 하여 ‘화학 키의 p-n 이질(異質) 구조 재료’를 형성시키게끔 하였다.

­ 연구팀은 ‘바이오닉 유발제’를 사용한 후 중합 속도가 신속해졌는데 폴리피롤(Polypyrrole) 밀도가 더욱 커졌으며 폴리피롤과 이산화 티타늄 간의 계면 결합력이 대폭 개선되었으며 임피던스(Impedance) 표면 특징을 나타내는 전하(Electric charge) 전송 효율도 대폭 개선되었다는 점을 발견하였다. 연구팀은 폴리피롤 화학 키와 p-n 결합 복합재료는 광 조사(Illumination)와 어두운 조건 하에서 전기 저항이 양호한 가역성(Reversible)을 가지고 있다는 점도 발견하였다.

­ 연구팀의 관련 과학연구 성과는 Adv. Mater. (2009, 21, 1964–1967), Chem. Mater. ( 2009, 21 ,1198–1206), Adv. Funct. Mater. (2009, 19, 1930–1938), ACS Nano (2009, 3, 1249–1257)와 J. Mater. Chem. ( 2010, 20, 6910–6915)에 공식 발표되었다고 한다.

­ 이번 연구는 ‘중국과학원(CAS)’의 ‘백인 계획(百人計劃)’, 중국 ‘국가 자연과학 기금 위원회(NSFC)’와 중국 ‘국가 과학기술부(MOST)’의 ‘국가 중점 기초연구 프로젝트’인 ‘973 계획’ 비용 자원을 받아 추진되었다고 한다.

圖 1. 이산화 티타늄 나노 입자와 나노 튜브 구조 중의 전자 전송 루트 비교

圖 2. 튜브 상태, 다공성 상태와 패턴 베이스 상의 TiO2 나노 튜브 및 TiO2 나노 튜브 상의 화학 키와의 p-n 결합 표시도

출처 : http://www.cas.cn/ky/kyjz/201108/t20110802_3319011.shtml