양면 뚫린 나노튜브, 태양전지 성능 향상 길 열까

종이나 페인트의 색소, 코팅제로 활발하게 사용되는 한편 가격이 저렴하면서도 안정성이 뛰어나 나노기술분야에서 급속도로 활용이 늘어나고 있는 이산화티타늄(TiO2)을 이용해 기존의 기술에 비해 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐다.

화학공학과 박태호 교수·박사과정 최종민씨 팀은 이산화티타늄의 열처리 과정을 이원화해 필요한 부분만 식각(蝕刻)하는 방법으로 양면이 뚫린 이산화티타늄 나노튜브를 손쉽고 대량으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.
최근 영국왕립화학회가 발간하는 화학분야 권위지 ‘케미컬 커뮤니케이션(Chemical Communications)’지 표지논문으로 발표되며 학계의 관심을 모으고 있는 이 기술은 태양전지 활용에 필수적이라고 할 수 있는 대면적(大面積)화가 가능할 뿐 아니라, 태양전지의 전하수집효율을 90%까지 끌어올려 향후 태양전지 성능 향상에 크게 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그간 이산화티타늄을 이용해 나노튜브를 제조하는 방법은 양극산화법*1을 이용했지만, 이 방법을 이용하면 분리과정에서 깨짐이나 말림현상이 일어나 면적을 크게 할 수 없고, 성공한다 해도 나노튜브의 한쪽 면이 막혀 있었다.

나노튜브가 한쪽이 막혀 있을 경우 전해질 이동이 잘 이루어지지 않아 센서 등의 활용이 어려워 양쪽면이 뚫린 나노튜브 대량 제조기술 개발을 놓고 많은 연구팀들이 경쟁하고 있었다.

박 교수팀은 사용하고자 하는 나노튜브층에 열처리를 해 안정성을 높인 뒤, 안정성을 높이지 않은 부위를 화학적 방법으로 깎아내, 양면이 뚫린 이산화티타늄 나노튜브를 제조하는데 성공했다. 
특히 열처리 자체도 간단하고, 식각과정에서도 쉽게 구할 수 있는 과산화수소를 활용해 경제성을 크게 높여 주목을 끌었다.

연구팀은 개발한 이 나노튜브를 태양전지 작동전극으로 사용한 결과, 전극으로 사용되고 있는 나노입자에 비해 전하 수집효율이 75%에서 90%로 올라가며 광전 변환 효율이 기존 7.3%에서 8.6%로 올라간 것으로 나타났다고 밝혔다.
또, 이 기술은 나노튜브의 크기나 길이를 정밀하게 제어할 수 있어 광촉매나 화학센서 등 다양한 분야의 활용이 기대되고 있다.

연구를 주도한 박태호 교수는 “이산화티타늄 나노튜브는 태양전지 뿐만 아니라 광촉매, 센서, 배터리 등 응용분야가 광범위하기 때문에 나노튜브의 구조 제어 기술은 매우 중요하게 평가받고 있다”며 “이 기술은 특히 간단한 공정만으로 이루어져 경제성은 높이고 대량 제조 가능성의 길을 열어 국제 학계에서 큰 관심을 보이고 있다”고 밝혔다.

1. 양극산화법
금속 표면처리 법 중 하나로 알루미늄이나 알루미늄 합금을 일정용액에 담궈 양극으로 만들어 산화를 일으킨 다음 산화피막을 만드는 방법.