▣ 코넬대, 새로운 유기분자 골격 구조체의 합성으로 플렉서블 태양전지의 가능성 열다

태양전지는, 일반적으로 햇빛이 비치는 지붕에 설치된 두껍고 무거운 실리콘 패널을 떠올리게 된다. 이러한 패널은 효과적이기는 하지만 매우 고가이며 다루기가 불편하다. 따라서 기존 제품을 대체할 수 있는 보다 우수한 방법을 찾고자 하는 연구가 진행 중에 있다.

코넬대 화학 및 화학생물학과 William Dichtel 교수팀은 매우 경제적이며, 유연하고 다양한 태양전지에 적용할 수 있는 유기분자 구조체를 제조하는 간단한 공정을 개발했다. 이 연구결과는 Nature Chemistry 6월 20일자 온라인 판에 보고되었다.

Dichtel 연구진은 유기염료 화합물을 공유결합 유기 골격체 (COF, covalent organic framework)라 불리는 구조로 조립하는 전략을 도입했다. 유기분자는 박막의, 유연하고 저비용의 광전 소자 제조를 위한 후보물질로 오랫동안 알려져 왔으나, 소자의 기능을 최대화하기 위해 필요한 배향성 구조를 가지도록 구성 분자를 배열하는 것이 어렵다.
2005년도에 최초로 보고된 COFs계 화합물이 바로 이러한 대면적 배향성 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법이다. 그러나 현재까지 알려진 이들 물질의 제조방법에는 상당한 제약이 있었다.

“우리는 완전히 새로운 제조방법을 개발해야 했다.”라고 Dichtel 교수는 말한다. 연구진은 산촉매와 보호기가 붙은 카테콜(catechol)이라 는 상대적으로 안정한 분자를 사용하여, 핵심 유기화학 물질을 조립함으로써 배향성이 높은 이차원 시트를 제조하는 전략을 사용했다. 이 시트는 층층이 쌓여져 격자를 형성하여 전하가 소재를 통해 이동할 수 있
는 경로를 제공한다.

이 반응은 또한 가역적이기 때문에 제조공정 과정에서의 에러를 취소하거나 수정할 수 있다.

“전체 시스템은 올바른 구조와 잘못된 구조를 늘 함께 생성하지만, 올바른 구조가 가장 안정하기 때문에 결국에는 보다 완전한 구조가 최종 생성물이 된다.”라고 Dichtel 교수가 말했다. 그 결과 넓은 면적에 걸쳐 정확하고 예측이 가능한 분자 배향을 유지하는 대면적 구조체가 제조되는 것이다.


화합물의 분자 구조 확인과 공극률 결정을 위한 표면적 측정을 위해 X선 회절이 사용되었다. 골격 구조체 중심에는 청바지나 잉크 펜 등의 제품에 널리 사용되는 산업용 염료인 프탈로시아닌(phthalocyanine) 분자가 들어 있다.
프탈로시아닌은 또한 식물이 광합성을 위해 햇빛을 흡수하는 물질인 클로로필 구조와도 매우 유사하다. 이 화합물은 거의 전 범위의 태양광선을 흡수하는 단일 유기물질 치고는 매우 희귀한 특성을 가지고 있다.

“전기전자에 사용되는 대부분의 유기화합물 경우, 필요한 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 소재를 적절히 디자인하는 문제와 함께 어느 정도의 행운도 따라야 한다. 우리는 이 후자에 해당하는 행운의 요소를 최대한 제거하려고 노력 중이다.”라고Dichtel 교수는 밝혔다.

“이 구조체 자체는 아직 태양전지가 아니지만, COFs에 사용될 수 있는 소재의 범위를 상당히 넓힐 수 있다. 우리는 또한 유기화합물을 통한 전자의 이동이라는 기초적인 과학적 문제점에 대한 해결책을 제시하기 위해 이들 구조의 정확성을 활용코자 기대하고 있다.”라고 Dichtel 교수는 말한다.

일단 골격구조가 완성이 되면, 분자 격자 사이의 공극은 다른 유기화합물로 채워져 가볍고, 유연하며 고효율의 태양전지를 손쉽게 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

다음 단계는 보조 화합물로 공극을 채우는 방법을 테스트하는 것이며, 연구진은 현재 이 과정의 초기단계에 있다.

Dichtel 연구진이 유기염료를 층층이 쌓아서 다공성 이차원 시트를 제조하는 공정을 개발했다.

이 소재는 궁극적으로 저렴하고 유연한 태양전지의 제조에 사용될 수 있을 것이다.


􄤋 발표논문: Eric L. Spitler & William R. Dichtel,“ Lewis acidcatalysed formation of twodimensional dimensional
phthalocyanine covalent organic frameworks”, Nature Chemistry (2010), doi:10.1038/nchem.695, Published online 20 June 2010

<출처> KISTI Nano Weekly / Cornell University 2010.06.29

Posted by TopARA

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