탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보

탄소나노튜브(CNT*)분야 세계적 권위자이자 노벨 물리·화학상 후보자로 거론되는 일본 신슈대 엔도 모리노부 교수가 우리 원 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소와 손잡고 세계 복합소재 시장 선점에 나선다. 우리 원은 8월 26일 엔도 모리노부 교수를 전북분원 국제특별자문위원으로 위촉하였다. 엔도 교수는 1년 중 약 4개월을 한국에 머무르면서, 탄소 기반 초전도체 개발 및 나노바이오 소재, 에너지 저장 분야에서 공동연구를 진행할 계획이다. 연구기반 정착과 중점연구 활성화를 견인할 과학자 유치를 위해 전북분원은 서치 커미티를 가동하여 후보자를 발굴하였고, 그 결과 탄소 분야 연구에 경력이 많고 이 분야의 선구자인 엔도 교수를 최종 적임자로 선정하였다. 엔도 교수는 카본 소재 분야에서 노벨 물리·화학상 후보로 거론되는 세계적 권위자로 손꼽히는 인물이다. 1946년 일본 나가노에서 태어난 그는 신슈대에서 전기 공학을 전공하고 일본 나고야 대학과 프랑스 오를레앙 대학에서 박사 학위를 받았다. 그 후 금속 나노입자를 이용한 촉매 화학 기상 증착법**으로 CNT를 합성하였고, CNT 구조를 증명하는데 성공하였다. 또한 그는 미국 탄소 협회의 ‘Charles E. Pettinos Award' 수상을 시작으로 미국 국립산업안전보건연구원과 재료연구학회, 일본 정부에서 주는 상들을 휩쓸었다. 뿐만 아니라 최근에는 나노과학과 나노기술 분야에서 뛰어난 업적을 보여준 세계적 과학자에게 임명하는 ‘NANOSMAT Prize 2012’에 선정되어 연구 성과의 탁월함을 인정받고 있다. 전북분원 홍경태 분원장은 “엔도 교수와의 공동연구를 통해 전북분원이 탄소복합소재 연구경쟁력을 강화하고, 창의적이고 혁신적인 소재원천기술 확보를 바탕으로 세계시장을 선도하는 연구소로 거듭날 것으로 기대한다”고 밝혔다. 전북분원은 지역전략산업 육성과 연계하여 복합소재분야의 핵심 원천소재 개발, 기업지원 및 관련 인력육성을 목적으로 2008년에 설립되었고, 짧은 시간에도 불구하고 많은 연구 성과들을 도출해 왔다. 이번 엔도 교수의 영입은 전북분원이 첨단 복합소재·부품 연구개발의 중심기관으로서 세계시장을 선도하는 데 발판이 될 것으로 기대를 모으고 있다.