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Welcome to Nano Energy Convergence System (NECS) Lab.!!!
 
The research activity of our group is focused on the structure and morphology design of nano-energy materials for the application to the future energy convergence systems. Especially, we have been developing the multiscale nano-building blocks including polymers, ceramics, metals, and semi-conductors to efficiently manipulate the various types of energy because such nanomaterials can exhibit prominent electronic, optical, and catalytic properties. Currently we are studying next generation solar energy conversion and storage systems. 
 
 



Research Area

1. Hybrid sensitized solar cell (하이브리드 감응형 태양전지)
               
 
 
 <감응형 태양전지의 구조>
 
  감응형 태양전지는 사용되는 광흡수체의 종류에 따라서, Ru/유기 염료를 사용하는 염료 감응형 태양전지, 무기반도체 및 양자점을 사용하는 무기 반도체 (양자점) 감응형 태양전지 및 유-무기 하이브리드를 사용하는 유-무기 하이브리드 감응형 태양전지로 나뉠 수 있다. 태양광이 감응형 태양전지에 조사되면 광흡수체인 sensitizer에서 빛을 흡수하여 전자와 홀을 생성하며 생성된 전자는 나노 구조의 전자 전달체로 이동하고 이와 동시에 생성된 홀은 홀 전도체로 전달되게 된다. 액체형 전해질을 홀 전도체로 사용하는 경우 광흡수체인 sensitizer에서 생성된 홀은 전해질에 의해 재생 (regeneration)이 되고 산화된 전해질은 대전극 (counter electrode)에서 환원되어 태양전지가 구동하게 되며, 고체형 홀 전도체의 경우 생성된 홀이 홀 전도체를 통하여 대전극까지 이동되어 태양전지가 구동하는 것으로 알려져 있다. 따라서 감응형 태양전지의 핵심 구성 소재는 태양광을 흡수하여 전자와 홀의 생성하는 광 흡수체, 전자를 전달하는 전자 전달체 및 홀을 전달하는 홀 전도체이다. 고효율의 최적화된 감응형 태양전지를 구성하기 위해서는 3가지 핵심소재 간의 물리, 과학, 전기, 화학적 궁합이 서로 최적화된 소재 및 소자 구조의 개발이 반드시 필요하다.


<감응형 태양전지의 작동 메카니즘>

  특히 고체형 홀전도체를 사용하는 감응형 태양전지 소자의 작동 원리를 좀 더 자세히 살펴 보면, 광 흡수체에서 생성된 전자는 전자 전달체로 주입이 되고 주입된 전자는 전자 전달체를 통하여 투명전극으로 이동하게 되는데, 전자 전달체에서 전자의 이동속도가 느리거나 표면 트랩 사이트가 많을 경우 전자 전달체와 광흡수체간의 재결합과 전자 전달체 및 홀전도체간의 재결합이 발생하게 된다. 또한 광 흡수체에서 생성된 전자와 홀쌍이 효과적으로 전자 전달체 및 홀전도체에 효과적으로 주입이 되지 않을 경우 광 흡수체 내부에서 생성된 전자와 홀쌍이 재결합이 일어 날 수 있으며 광 흡수체에서 생성된 홀이 홀전도체로 효과적으로 전달이 되지 않을 경우 광 흡수체와 홀전도체간의 재결합이 발생 할 수 있다. 따라서, 고효율의 감응형 태양전지를 구현하기 위해서는 전자 전달체, 광 흡수체 및 홀전도체간의 에너지 밴드 정렬 및 각 계면 벌크 소재의 특성 제어가 반드시 필요하다.



<본 연구실에서 수행 중인 감응형 태양전지의 예>


  고체형 홀전도체를 사용하는 감응형 태양전지의 고효율화를 위해서는, 태양전지의 발전효율이 단락전류밀도, 개방전압 및 성능지수의 곱으로 정해지기 때문에 단락전류밀도, 개방전압 및 성능지수의 향상을 위한 연구가 진행되어야 한다. 단락전류밀도는 광전변환효율인 IPCE (incident photon to current conversion efficiency) 또는 외부양자효율인 EQE (external quantum efficiency)를 각 파장별로 적분한 값과 관련이 있고, 광전변환효율은 광수확 효율인 LHE (light harvesting efficiency), 전하 이동 효율 (charge transport efficiency) 및 전하 포집 효율 (charge collection efficiency)의 곱으로 구성된다. 감응형 태양전지의 경우 개방전압은 전자 전달체의 유사 전자 페르미 준위 (qusi-Fermi level)과 홀전도체의 HOMO (highest occupied molecular orbital) 에너지 준위의 차이에 개방전압의 최고값이 결정되며 생성된 전하의 재결합 정도에 따라 실질적인 태양전지 소자의 개방전압이 결정된다. 감응형 태양전지의 경우 잘 만들어진 태양전지의 경우 통상적으로 70 내지 80%의 성능지수를 가지는 것으로 알려져 있으며, 이는 기존의 p-n 접합형 태양전지에서 소자에 따른 성능지수의 편차가 큰 것에 비해 감응형 태양전지만의 독특한 장점이라 할 수 있다. 통상적으로 감응형 태양전지에서 성능지수는 태양전지 소자에서 시리즈 (series) 저항과 션트 (shunt) 저항의 값에 의해 결정되며 시리즈 저항은 작을수록, 션트 저항은 클수록 성능지수가 높아지는 경향을 나타낸다. 시리즈 저항은 투명전극의 저항, 투명전극, 전자전달체, 광흡수체, 홀전도체, 상대전극 간의 모든 계면에서 나타나는 직렬 저항 성분의 합으로 구성되므로 모든 계면에서 발생 할 수 있는 직렬 저항 성분의 값을 최소화 하는 것이 중요하다. 션트 저항은 광흡수체에서 생성된 전자가 전자 전달체를 통해 전류 발생 방향의 정방향 방향으로 이동하도록 해주는 역할을 하며 반대 방향으로 전자가 이동하는 것을 막아주는 역할을 하는 태양전지 회로상의 병렬 저항에 해당한다. 따라서 감응형 태양전지의 고효율화를 달성하기 위해서는 광 전류밀도, 개방전압, 성능지수를 동시에 높힐 수 있는 전자전달체, 광흡수체, 홀전도체 소재의 개발과 소자 구조의 최적화가 반드시 필요하며, 본 연구실에서는 무기, 양자점, 하이브리드 감응체인 광흡수체 소재의 특성에 맞는 전자전달체 및 홀전도체 소재를 개발하고 소자 구조의 최적화를 통해 초저가, 고효율, 유연 태양전지 개발에 관한 연구를 수행 중이다.



<본 연구실에서 수행 중인 감응형 태양전지관련 보유기술>




2. Design and synthesis of nano energy materials (나노 에너지 소재의 합성 및 디자인)


<크기와 물성의 상호작용 관계>

  모양, 크기, 구조 및 형태가 제어된 나노소재는 크게 0D, 1D, 2D, 3D의 구조를 가지는 소재로 나뉠 수 있으며, 특정한 기능성을 부여하기 위해 소재의 디자인을 필요로 한다. 예를 들어 광전자 에너지 소자 및 디스플레이용 소자에서는 전자, 홀, 광자 및 포논을 제어하여 최적의 물성을 나타내는 소자를 구현하게 되는데, 이를 위해서는 신규한 나노소재의 디자인을 필요로 한다. 전자와 홀은 sub nm 수준의 크기에서 상호 작용을 하고, 포논은 sub 100 nm 수준의 크기와 상호 작용을 하며, 광자 (주로 가시광선~근적외선 영역의 빛)는 수백 nm ~ 수 micrometer 수준의 크기와 상호 작용을 한다. 따라서, 각각의 특성과 물성을 제어하기 위해서는 상호작용을 일으킬 수 있는 크기 수준에서 소재를 디자인 해야 되며, 여러가지 특성을  동시에 제어하기 위해서는 multi-scale의 다차원 형태의 소재를 디자인 할 필요가 있다. 
  또한, 동일소재에서 차원에 따라서 나타나는 물리, 화학, 광학적 특성이 달라지게 되는데 차원에 따른 물성의 장점을 극대화 하기 위해서는 저차원 형태의 소재를 고차원 형태의 소재로 building up 하는 기술을 필요로 한다. 예를 들어, 0D와 같은 소재는 confinement가 가장 많이 일어나서 DOS (density of state)가 가장 극적으로 변화되게 되는데 이러한 소재는 물리, 광학적 특성을 극대화 하지만 이러한 특이한 물성을 다른 매개체로 transport 하는 능력이 매우 떨어지는 단점이 있다. 따라서 이러한 소재들은 고차원 형태의 소재로 변형 시키거나, 고차원 소재와 융합되어, 즉 차원 융합된 고차원 구조화를 통하여 각각의 차원이 나타내는 물성의 극대화를 가질 수 있다.    



<다양한 나노 소재>

  따라서 본 연구실에서는 0D, 1D, 2D, 3D의 형태를 가지는 소재를 nm 수준에서 제어하여 특정한 모양, 크기, 구조 및 형태가 제어된 광전자 에너지 및 디스플레이용 소자로의 적용이 가능한 나노소재의 디자인 및 합성에 관한 연구를 수행 중이며, 고분자, 세라믹 (금속산화물), 반도체 (벌크 및 양자점) 및 금속 소재를 이용하여 다차원 및 차원융합형 나노소재를 합성하고 있다. 
  • Polymer nanoparticles: emulsion, mini-emulsion, dispersion, modified dispersion, precipitation, suspension 중합을 이용하여 thermodynamic + kinetic control을 통하여 모양, 크기, 구조, 형태 및 단분산성이 제어된 고분자 나노입자의 합성에 관한 연구.
  • Metal oxide nanoparticles: sol-gel, hydrothermal, solvothermal, spray pyrolysis  공정을 이용하여 저굴절 필러, 고굴절 필러, 자성입자, 전극 소재, 고체 전해질 소재, effect 필러, 상변환 소재 등 기능성 무기 나노 소재의 합성에 관한 연구.
  • Semi-conductor (quantum dot) nanoparticles: chemical bath deposition (CBD), successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR), spray pyrolysis deposition (SPD), thermal decomposition, solvothermal 공정을 이용하여 양자점을 포함한 반도체 나노입자의 합성에 관한 연구.
  • Metal nanoparticles: polyol process를 포함하는 solution process를 이용하여 모양, 크기, 형태, 구조 및 성분이 제어된 금속 나노입자, 와이어 및 플레이크 형태의 금속 나노입자 합성에 관한 연구.
  

3. Colloidal photonic crystals (콜로이드 광결정)
  


< 규칙적인 구조에 의한 structure coloring >


  햇살이 눈부신 날 야외로 나가면 눈부시게 황홀한 색상을 자랑하는 나비와 곤충들을 흔히 볼 수 있다. 아름다운 꽃이나 곱게 물들인 천과 달리 이러한 반짝이는 색상들은 어디에서 기인하는 것일까? 누구나 한번쯤은 열대어나 곤충의 색상이 색종이와는 달리 유난히 반짝인다는 것을 본 기억이 있을 것이다. 이러한 특정한 파장의 빛(photon)을 반사 시키는 거울이 광결정(Photonic crystal)이다. 화학이나 재료를 연구하는 사람은 원자핵의 주기적인 배열에 의해 전자가 존재할 수 없는 금지구역인 밴드갭이 형성되는 것을 알고 있다. 마찬가지로, 수백나노~수마이크로미터 크기의 유전체가 규칙적인 주기를 가지고 배열되어 있을 때, 유전체 내부에는 특정파장의 빛(photon)이 존재할 수 없는 광밴드갭 (electron의 경우 electronic bandgap, photon의 경우 photonic bandgap 로 명명함)이 형성된다. 

  광결정에서 밴드갭이 나타나는 원리를 간단히 설명하면, 유전체가 규칙적인 간격을 가지고 배열되어 있을때, 유전체를 통과한 빛은 Bragg 반사 법칙에 의해 그 주기에 해당하는 파장의 빛만 선택적으로 반사를 하게 된다. 똑같은 주기가 계속 반복되므로 통과한 빛 중 특정한 파장의 빛은 유전체를 통과할 때 마다 반사를 하게 되므로 결국 주기에 해당되는 파장은 규칙적으로 배열된 유전체 내부에 존재하지 못하고 모두 반사 되게 된다.

  이러한 규칙적인 구조에 의해 광밴드갭이 나타난다는 원리가 보고 된 후, 1,2,3차원적인 규칙성을 가지는 광결정 제조를 위해 많은 연구가 진행 되었다. 이러한 광결정의 제조는 포토리소그라피, 이온빔 에칭, 홀로그램리소그라피, 잉크젯, 마이크로 로보틱스, 및 자기조립을 이용하여 제조될 수 있다. Top-down 방법인 포토리소그라피 방법과 이온빔 에칭을 이용하는 방법은 기존의 실리콘 반도체의 회로를 만드는 기술로써 매우 정밀하게 광결정을 제작 할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 공정단가가 비싸고, 대면적의 3차원 광결정을 만들때 많은 시간을 요구한다는 단점을 가지고 있다. 반면 bottom-up방법인 자기 조립은 저가로 빠른 시간내에 대면적의 광결정을 제조 할 수 있으나 결함이 없는 균일한 광결정을 제조하기 힘든 단점이 있다.

  이러한 광결정은 빛을 손실 없이 제어할 수 있어, 미세화 레이저, 광도파로, 필터, 분할기, 혼합기 등의 광집적회로에 활용될 수 있고, 빛의 속도나 방향을 제어 할 수 있어, LED, 태양전지, 광촉매의 효율을 증대시킬 수 있으며, 빛, 온도, 압력, pH, 전기, 유전율등의 외부자극에 민감하게 반응하므로 다양한 센서로의 응용 가능하다. 




< Self-assembly 공정을 통해 형성된 콜로이드 광결정 >

  본 연구실에서는 모양, 크기, 구조 및 형태가 제어된 균일한 형태의 콜로이드 나노입자의 디자인 및 합성과 이를 이용하여 저가의 bottom-up 방식인 self-assembly 기술을 활용하여 고속으로 대면적의 콜로이드 광결정을 형성하는 공정 기술에 관한 연구를 수행 중이다. 기존의 콜로이드 광결정의 경우 광결정을 형성하는 하나의 building block unit이 photonic bandgap을 위치를 결정해 주는 수동적인 역할을 해 왔는데, 이러한 building block unit에 active한 기능을 부여하여, 신규한 특성을 가지는 새로운 형태의 콜로이드 광결정의 제작 및 응용에 관한 연구를 수행할 계획이다.  


4. Development of the advanced functional coating materials including organic and inorganic hybrid
- Hard, antiglare, antireflection, antifouling, antistatic coatings by thermal or UV curing.
- Synthesis of organic and inorganic hybrid nanoparticles by sol-gel chemistry including photocatalytic nanoparticles and mesoporous nanoparticles



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