한국전기연구원
CNT 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 기술개발 동향과 시장전망 및 관련업체 동향
차세대의 전자소재로 부가되고 있는 탄소나노튜브(CNT)는 탄소를 육각형의 기본구조를 지닌 튜브 형상으로 만들어서 특수한 기능과 특성을 지니도록 만든 소재로써 반도체소자, 태양전지, 전기화학적 촉매, 전자기차폐 재료 등의 다양한 소자 및 제품에 응용이 크게 기대되고 있는 신소재이다. 특히 염료감응형 태양전지에 적용 시 촉매로부터 전극과 기판까지 다양하게 적용이 가능하여 상용화가 크게 기대되고 있다.
글: 이동윤 책임연구원
한국전기연구원 나노융합에너지소재연구센터
dylee@keri.re.kr / www.keri.re.kr
연료감응형 태양전지 소개
염료감응형 태양전지는 (그림 1)에서 보이는 바와 같이 두 투명도전성 기판이 샌드위치 모양으로 결합된 형태의 전기화학적 소자로써, 한 기판에는 표면에 염료가 흡착된 나노 다공질 TiO2 전극 층이 있고, 그 반대편 기판에는 상대전극이 있고, 두 기판의 사이에 전해질이 들어 있는 구조를 지니고 있다.
전기의 발생 원리는 (그림 2)에서 염료가 빛을 흡수하면 염료 내부의 전자가 여기되어 TiO2 전극으로 이동하여 외부전극까지 도달함에 따라 한 극을 이루고, 염료에서 전자가 빠져나간 자리는 전해질 속에 있는 요오드 이온의 산화 작용에 의해 요오드의 전자가 이동하여 채워지고, 다시 요오드 이온은 반대편 극으로 이동하여 상대전극 표면에서 환원 작용에 의해 전자를 다시 공급받는 방식으로 이루어진다. 이때, 전압은 TiO2의 전도대 최하단의 에너지 준위와 상대전극 표면에서 요오드 이온의 환원 준위 차이로 결정된다.
염료감응형 태양전지는 1cm2 이하의 작은 면적에서는 효율이 높으나 대면적으로 제조하면 기판과 소재의 저항 때문에 효율이 급감한다. 이 때문에 대면적 모듈로 제조하기 위해서는 (그림 3)과 같이 전자의 이동통로가 되는 그리드 전극을 포함한 패턴을 만들 필요가 있다.
CNT 전극의 필요성
CNT 전극은 염료감응형 태양전지 분야에서 백금 상대전극을 대체하기 위해 한국전기연구원에서 2004년 개발되었다. 그 이전에 CNT 상대전극의 연구가 없었던 것은 아니고, CNT의 분산의 어려움, 코팅막 기술의 부족, 촉매특성의 부족 등의 이유로 만족할 만한 성능을 얻지 못하였다. 한국전기연구원은 자체적으로 개발한 분산기술과 촉매특성을 부여하기 위한 화학 및 열처리 기술을 이용하여 백금과 거의 유사한 성능을 지닌 CNT를 개발하였다. 그 이후 CNT의 처리 기술이 보다 발달함에 따라 현재 그리드 전극이나 기판에도 사용이 가능할 수준까지 개발이 진행되고 있다.
CNT 전극은 소재 면에서 유연성, 전기전도성과 촉매특성을 지니고 있고, 공정면에서 고가의 진공장비가 필요없으며, 고온이 아닌 100℃ 이하의 온도에서 습식법으로 제작이 가능하므로 플라스틱 필름과 같이 저온용 소재에서 사용이 가능하다. 이에 따라 현재의 유리기판을 사용하는 태양전지가 아닌 향후 수년 내에 상용화될 플라스틱 필름을 이용한 유연 태양전지 및 각종 유연 기판 전자기 소자에 응용이 크게 기대된다.
태양전지용 CNT 전극 기술 소개
CNT는 (그림 4)에서와 같이 육각형의 탄소사슬이 속이 빈 튜브 형태를 지니도록 구성된 물질로써, 튜브를 만들 때의 배열에 따라 반도체 또는 금속의 성질을 지닌다. 주로 반도체 성질을 이용하여 소자를 만드는 것이 보통의 응용 방법이나 전기화학적인 목적으로 사용될 때는 금속성이 유리한 경우가 많다. CNT는 튜브의 벽의 개수에 따라 그림 4에서와 같이 튜브벽이 한 겹이면 단일벽 CNT, 벽이 두 겹이면 이중벽 CNT, 그 이상이면 다중벽 CNT라고 부른다. 소자용으로는 반도체성을 지닌 고가의 단일벽 CNT가 주로 사용되며 다중벽 CNT는 저가로 대량으로 생산이 가능하며 촉매용이나 전자기 차폐용 또는 인쇄전극용으로 사용된다.
CNT의 장점은 표면적이 매우 크서 표면반응을 극대화 할 수 있고, 금속에 버금가는 높은 전기전도성을 지니고 있고, 유연성이 매우 커서 유연 소자의 제작에 유리하며, 저온 또는 실온에서 습식으로 쉽게 전극을 제작할 수 있다는 것이다. 이 때문에 차세대의 인쇄형 유연소자용 전극으로 사용 시 특히 유리한 소재이다.
1) 백금을 대체하는 저가의 촉매 상대전극
2) 전기의 이동통로가 되는 전도체 또는 전극
3 )ITO나 FTO를 대체하는 투명전도성 기판 전극
첫 번째의 촉매 상대전극으로의 응용은 CNT의 넓은 표면적과 탄소재료의 촉매특성을 이용하는 것으로써 계속해서 CNT의 촉매 특성에 대한 논란이 있어왔다. 이는 단일벽 반도체 CNT가 촉매특성을 거의 지니고 있지 않기 때문에 야기된 문제로써 한국전기연구원에서 다중벽 금속성 CNT를 화학적 처리와 열처리를 거쳐 촉매특성을 부여하는 기술을 개발함으로써 해결되었다. 촉매 CNT전극은 통상의 다중벽 CNT로는 백금전극에 비해 70% 이하의 특성을 지니고 있으나, 특수한 처리와 이 전극에 맞는 맞춤형 전해질을 사용함으로써 백금 전극과 동등한 특성을 지닐 수 있다.
두 번째의 CNT를 전도체로 사용하는 것은 두 가지 방법이 있는데, 하나는 TiO2 나노입자에 미량 혼합하여 전기전도성이 부족한 TiO2 사이를 전기적으로 연결시키거나 또는 TiO2 전극 내에서 전자의 주 이동통로로 사용하는 방법이다.
또 다른 하나는 염료감응형 태양전지 모듈의 제작 시 그리드 전극으로 사용하는 방법이다(그림 3).
세 번째의 기존의 투명 전도성 기판을 대체하는 투명기판의 전극으로 사용하는 것인데, 현재 CNT 전도성막을 투명으로 제작 시 전기전도도가 500ohm/sq. 정도의 수준이어서 태양전지에서 요구하는 10 ohm/sq. 이하의 전도성을 지니기에 아직 기술적으로 무리가 있어 추후의 계속된 기술개발이 필요한 상황이다.
CNT 전극의 해결과제
염료감응형 태양전지에서 CNT전극의 양산화 및 응용성의 확대를 위해서 필요한 기술 및 특성은 다음과 같다.
1) 백금과 동등한 수준의 효율
2) 균일 전극막 제작을 위한 높은 분산성
3) 투명 태양전지를 위한 광투과성 (필요시)
4) 장수명
먼저 효율 특성은 앞에서도 이야기하였듯이 촉매특성을 지니도록 특수한 화학적 및 열적 처리를 함으로써 해결될 수 있다. 우수한 촉매특성을 지닌 CNT 상대전극 재료는 페이스트의 형태로 이미 국내기업인 어플라이드카본나노사(Applied Carbon Nano Co.)를 통해 이미 양산화되어 상용제품이 시판 중에 있다.
이는 실험을 통해 결함을 많이 생성할수록 태양전지의 효율이 향상되는 것으로부터 확인할 수 있다. 그러나 이러한 결함의 존재 시 CNT전극의 수명이 단축되므로 제조 기술의 관건은 결함을 생성하면서도 이 결함구조를 안정화시켜 전극의 수명에는 영향을 미치지 않도록 하는 것에 있다. (그림 7)은 결함이 없는 다중벽 CNT와 많은 결함을 지닌 대나무 형태의 CNT를 비교해서 보여주고 있다. 결함이 없는 왼쪽의 CNT는 약한 촉매 특성을 지니고 있음에 비해 오른 쪽의 결함이 많은 CNT는 백금과 동등 수준의 특성을 지니고 있다.
두 번째, CNT 전극에서 균일한 두깨의 전극막을 만들기 위해서는 CNT의 분산성이 좋아야한다. CNT를 이용하여 전극막을 형성하기 위해서는 먼저 CNT에 결합제를 포함한 용매 속에 분산시켜 점도를 지닌 페이스트의 형태로 만들어야한다.
세 번째, 광투과성의 문제인데 기본적으로 CNT는 탄소소재이므로 막을 형성 시 흑색으로 빛을 흡수한다. 그러나 단일벽 CNT를 넓게 잘 분산시키면 투명도의 확보가 가능하므로, CNT 투명 전도성 플라스틱 기판은 소량 사용하면 충분한 투명성을 지니게 할 수 있다. 그러나 전기전도도를 높여가면 CNT의 사용량을 증가시켜야 하므로, 투명성을 점차 상실하게 된다.
단일벽이 아닌 다중벽 CNT는 탄소의 벽이 두꺼우므로 본질적으로 투명성을 얻기 힘들다. 특히 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용할 만큼 충분한 촉매작용을 얻기 위하여 최소 1 μm 이상의 두꺼운 막이 필요하므로 촉매특성을 높이면 투명성이 많이 부족하게 된다.
이를 해결하기 위한 기술의 하나로써 제안된 것이 (그림 9)에서 보는 바와 같이 CNT를 구형의 공모양으로 뭉쳐 분사코팅하는 기술이다. 이러한 방식으로 제조하면 CNT 공의 밀도와 크기에 따라 투명도와 촉매특성을 조절하는 것이 가능하다.
마지막으로 CNT 전극의 수명 확보는 염료감응형 태양전지의 수명과 직접 연관되므로 매우 중요하다. CNT 전극에 촉매 특성 및 분산성을 확보하기 위해서는 산처리가 필요한데, 이러한 처리는 CNT 전극의 수명을 크게 떨어뜨린다. CNT 전극의 수명확보 기술은 열처리 기술과 깊은 연관이 있다.
시장 전망과 관련업계 동향
태양전지용 CNT 전극의 시장은 염료감응형 태양전지와 유기 태양전지의 상용화에 사실 상 좌우된다. 최근까지 염료감응형 태양전지는 소니, 도요타 아이신, 후지꾸라와 같은 일본의 기업과 호주의 다이솔을 중심으로 양산화에 박차를 가해왔고 국내의 기업들도 파일롯프랜트를 건설하고 출시를 서두르고 있다. 그러나 염료감응형 태양전지의 상용화가 몇 년 더 기다려야한다고 생각하는 전문가들도 많다. 이 이유는 염료감응형 태양전지의 실링 기술의 미확보와 고가의 FTO 기판을 사용함에 따른 가격의 문제이다. 예전에는 염료감응형 태양전지의 가격이 Si 태양전지의 1/5에 불과할 것으로 예상하기도 하였으나 최근 Si 태양전지의 가격이 2달러 이하로 내려감에 따라 가격 경쟁력이 많이 나빠졌고 양산화에 따라 가격이 급락할 것으로 예상되는 FTO 기판의 가격도 기대만큼 하락하지 않을 것으로 보여 상용 제품을 출시하기 위해서는 추가적인 원가하락이나 신기술의 개발이 필요하게 되고 있다.
이러한 상황을 극복하기 위하여 소니와 도요타가 제시한 기술은 모노리틱 모듈 기술이다. 모노리틱 모듈은 FTO 기판을 한 장만 사용하는 기술로써 상대전극으로는 필수적으로 탄소계 소재를 사용하여야 한다. 만약 염료감응형 태양전지가 모노리틱 모듈 형태로 출시되면 탄소계 소재 중 촉매특성이 우수한 CNT를 사용하는 것이 가장 유리하므로 사용량이 크게 증가할 것으로 기대된다. 앞에서도 기술하였듯이 CNT는 유연 소자에 적용이 특히 유리하다. 염료감응형 태양전지가시장을 크게 형성하기 위해서는 플라스틱 기판을 이용한 유연 태양전지로 제작이 되어야하는데 이 경우 태양전지 시장을 감안하면 CNT전극 시장이 크게 확장될 것으로 기대된다. 더욱이 CNT전극은 많은 유연소자에 적용이 가능하여 부가적인 시장 형성이 가능하다.
CNT의 양산은 불과 몇 년 전만해도 몇몇 소수 기업만이 보유하고 있었다. 그러나 최근 다중벽 CNT를 중심으로 저가로 대량 생산하는 기술이 속속 개발되어 가격이 1달러/g 이하로 하락하여 백금이나 다른 유사 소재에 비해 높은 가격 경쟁력을 보이고 있다. 태양전지용 CNT 전극은 국내의 경우 어플라이드카본나노가 독점 생산하고 있으며, 다른 기업들에서 제조한 CNT는 촉매 특성이 충분하지 않아 현재로써는 시장 진입이 어려울 것으로 예상된다. 그러나 일본, 독일의 CNT 제조 기업들이 공격적으로 많은 연구개발을 진행하고 있으므로 곧 우수한 CNT 소재가 속속 개발될 것으로 예상된다.
맺음 말
지금까지 살펴본 것처럼 CNT는 현재보다 미래가 더 기대되는 첨단 신소재이다. 특히 유연성이 뛰어나고 전기전도도가 높으면서도 저가의 저온공정으로 제조되므로 플라스틱 기판을 이용한 다양한 소자에 적용이 가능하여 응용성이 매우 높다.
현재 염료감응형 태양전지에서 백금을 대체하는 저가의 촉매 상대전극으로 상용화되어 있으며 향후 연료전지, 슈퍼커패시터를 포함한 전기화학적 촉매로도 활용이 기대되고 각종 그리드 전극이나 인쇄용 전자재료로써 활용도 기대되고 있다.
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음