원자층 증착법으로 제조된 수직 정렬된 TiO2 나노튜브의 태양전지와 기체센서로의 응용

Abstract

TiO2 나노튜브는 우수한 전기적, 물리적인 특성으로 인해 다양한 방향으로의 응용이 연구되어 왔으며, 이를 제조하기 위한 방법의 연구 또한 활발히 진행되어 왔다. 하지만 TiO2 나노튜브의 장점을 극대화 시킬 수 있는 수직정렬된 나노튜브 구조의 제조에 관한 연구는 주로 음극산화법에 제한되어 있었는데, 이를 통한 TiO2 나노튜브의 제조는 구조적인 다양성과 제조 공정상의 변수 제어에 있어서 한계점을 갖는다. 이를 극복하기 위한 방법으로서 템플레이트를 사용한 방법이 연구되어 왔으나, 이러한 방법은 수직정렬된 나노튜브 구조 형성에 효과적이지만 템플레이트 제거 후에 나노 구조를 다루기 어려워 그 응용이 매우 제한적이었다. 본 연구에서는 정렬된 나노 기공을 갖는 음극산화알루미늄 (AAO)을 템플레이트로 사용한 원자층 증착법을 통해 수직정렬된 TiO2 나노튜브를 제조하는 효과적이고 새로운 방법을 개발하여 기존 연구의 한계점을 극복하고자 하였다. 그리고 이렇게 제조된 수직정렬된 TiO2 나노튜브를 사용하여 염료감응형 태양전지, 고분자/무기물 하이브리드 태양전지, 기체 검출 센서에 응용하였다. 첫째로 수 마이크로미터 수준 길이의 TiO2 나노튜브를 제조하여 이를 작동전극으로 이용하는 염료감응형 태양전지를 제작하였다. 다양한 길이의 기공을 갖는 AAO 템플레이트를 사용하여 그에 상응하는 길이의 수직 정렬된 TiO2 나노튜브를 제조할 수 있었으며, 추가적인 활성 이온 식각 공정을 통해 끝이 뚫린 형태의 TiO2 나노튜브를 제조할 수 있었다. 이러한 결과물로 제작된 염료감응형 태양전지의 성능을 평가하였는데, TiO2 나노튜브의 길이가 길어질수록 염료의 흡착량이 늘어나 더 높은 효율을 나타내었으며, 끝이 막힌 형태보다 끝이 뚫린 형태의 나노튜브를 사용한 경우가 염료 흡착에 이용되는 표면적의 증가로 인해 더 높은 효율을 나타냄을 알 수 있었다. 둘째로 수 백 나노미터 수준 길이의 TiO2 나노튜브를 제조하여 이를 전자받개 물질로 사용하는 고분자/무기물 하이브리드 태양전지에 응용하였다. 수직정렬된 TiO2 나노튜브를 투명 전극으로 형성하도록 하였으며, 실험 조건 확립을 통해 추가적인 처리 없이 P3HT를 도포하였을 때 TiO2와 깍지낀 구조가 형성되도록 하여 정렬된 구조의 고분자/무기물 하이브리드 태양전지를 구현하였다. 기존에 여러 가지 추가적인 처리를 통해 정렬된 구조의 태양전지의 제조를 시도하였던 연구들과 비교했을 때, 본 연구에서 개발한 제조 방법은 매우 간단하고 효과적이다. 이렇게 제작된 태양전지의 구조를 분석하고 성능을 평가하였는데, 같은 두께로 형성된 P3HT 안에서 TiO2 나노튜브의 길이가 길어질수록 그 효율이 증가함을 알 수 있었고, 이는 엑시톤의 효과적인 분리와 전자와 정공의 이동 경로 차이에 기인한 것으로 판단하였다. 셋째로 수 백 나노미터 수준 길이의 TiO2 나노튜브를 제조하고 수소 기체 검출 센서에 응용하였다. 다양한 길이의 수직정렬된 TiO2 나노튜브 위에 백금 전극을 형성시키고 이를 센서로 사용하여 다양한 온도 범위와 수소 기체 농도를 통해 분석하였다. 기존 연구되어오던 금속 산화물을 사용한 센서에 비해서 저온 영역에서 구동하도록 하였으며, 실제 응용 조건을 고려하여 공기분위기에서 센서 구동 성능을 평가하였다. 센서는 전극과의 접촉저항이 크지 않은 저항 타입의 센서임을 알 수 있었다. TiO2 나노튜브의 길이와 온도 조건에 따른 센서 감응도를 측정하였는데, 나노튜브 표면적의 영향과 백금전극의 촉매작용 영향이 최대가 되는 길이의 나노튜브에서 최대 감도를 나타내며, 저온 영역에서 흡착된 산소 이온 종의 양이 가장 많은 온도에서 가장 높은 감도를 나타낸다고 판단하였다. 제조된 TiO2 나노튜브 센서는 여러 차례의 센서 구동을 통해서도 안정적으로 반응하는 것을 확인하였으며, 기존에 보고된 수소 검출 센서에 비해서 매우 빠른 반응 속도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한 다른 여러 가지 환원성 기체에 대한 감응도와 비교하여 수소 기체에 대한 선택성이 매우 높은 것을 확인하였다.