양면 뚫린 나노튜브,
태양전지 성능 향상 길 열까
POSTECH 박태호 교수팀, 양면 뚫린 TiO2 나노튜브 간단 합성 기술 발표

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.

POSTECH 화학공학과 박태호 교수(44)․박사과정 최종민씨(25) 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.