가시광 흡수·방출하는 산화물 나노튜브 개발

[산업일보]
국내 연구진이 가시광 흡수율이 개선된 산화물 나노튜브를 개발했다. 개발된 나노튜브는 가시광을 잘 흡수하고 방출할 수 있어 태양전지, 태양광촉매제, LED, 광센서 등에 쓰일 수 있는 광기능성 소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

광기능성 소자란 빛을 이용해 광에너지를 전기에너지(태양전지, 광센서)나 화학에너지(광촉매)로 변환하거나 전기에너지를 광에너지(발광소자)로 변환시키는 소자를 말한다.

아주대 서형탁 교수팀과 한양대 전형탁 교수 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 신진연구자지원사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 물리화학분야 권위지인 ‘Journal of Physical Chemistry C’ 8월 13일자 온라인판에 게재됐다. (논문명: A Significant Enhancement in Visible Light Absorption of TiO2 Nanotube Arrays by Surface Band Gap Tuning)

반도체 특성을 갖는 여러 나노산화물은 표면적을 넓히는 데 유리해 광기능성 소자로 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 상용 나노산화물은 자외선 보다 파장이 긴 가시광 영역의 빛을 잘 흡수하지 못하는 경우가 대부분이었다. 때문에 불순물을 주입해 태양광을 흡수하거나 가시광을 방출할 수 있도록 했지만 원하는 위치에 균일하게 불순물을 주입하는 데는 한계가 있었다.



연구팀은 나노튜브 표면 바로 아래 격자에 탄소를 균일하게 주입해 가시광 흡수율을 3배 이상 높인 이산화티타늄(TiO) 나노튜브를 합성했고, 이같은 흡수율 증대효과는 보고된 산화물 주입 효과 중에 최고 수준이다. 나아가 이를 염료감응형 태양전지에 적용해 변환효율 4.9%의 태양전지를 시연하는 데 성공했으며, 이는 나노튜브를 이용한 태양전지에서는 매우 높은 수준이다.

합성공정의 잔류물로 제거해야 하는 불순물 탄소를 가시광선을 보다 잘 흡수하도록 전자구조를 변화시키는 데 이용한 것이다. 주입된 탄소주위로 생기는 에너지 차이를 만들어 나노튜브의 구조 변형 없이도 자외선 이외 가시광을 강하게 흡수하도록 했다. 또한 튜브의 외벽과 내벽의 표면적을 극대화하여 빛 흡수시 전달도 원활하도록 했다.

서형탁 교수는 “나노구조 이산화티타늄의 가시광 흡수율 증대 효과로 인해 태양광 흡수를 필요로 하는 다양한 에너지 소자 즉, 태양전지와 태양광촉매 등에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.