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 유기 물질로부터 만들어진 태양 전지는 저렴하고 가볍고, 유연하지만, 이들의 성능은 실리콘이나 다른 무기물질들로 이루어진 전지에 비해 떨어진다. 코넬대(Cornell)의 William Dichtel과 동료 연구자들은 잘 정렬된 유기 필름을 생산하는 새로운 방법을 개발했으며 이는 이러한 문제를 해결할 수 있는 중요한 진전으로 평가된다.
연구자들이 공유결합 유기 골격(covalent organic frameworks (COFs))이라고 불리는 물질들을 전도성 표면에 잘 정렬된 분자들의 편평한 시트로 만들어낸 것은 이번이 처음 시도다. 이러한 연구들은 공유결합 유기 골격(covalent organic frameworks (COFs))을 이용해 태양전지나 다른 전자기기 등에 이용되는 보다 비싸고, 덜 다양한 물질들을 교환하는데 있어 발생하는 주요한 장애를 해결해주는 역할을 한다. 이번 연구자들의 연구 결과는 사이언스지의 4월 8일 이슈에 게재되었다.
공유결합 유기 골격(covalent organic frameworks (COFs))은 다양한 속성을 지니고 있으며 전통적인 유기 고분자에서는 발견되지 않는다. 이들은 또한 뛰어난 열 안정성을 지니고 있으며 높은 표면적과 영속적인 기공성을 지니고 있다. 하지만 연구자들이 이들을 아주 흥미로운 후보물질이라고 생각하면서도 이들은 물이 녹지 않는 파우더의 형태로 존재하기 때문에 이들을 이용하는 데는 많은 어려움이 따랐다.
화학 및 화학생물 공학과 교수인 Dichtel과 동료 연구자들은 이러한 문제를 해결하고자 단일 원자 두께의 탄소 시트인 그래핀 위에 공유결합 유기 골격(covalent organic frameworks (COFs))으로 이루어진 얇은 두께(25-400나노미터 두께)의 필름을 만드는 간단한 공정을 개발했다. 그들은 그 물질의 구조와 방향을 결정하기 위해 코넬 고에너지 싱크로트론 광자원(Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS))에서 X-선 회절(X-ray diffraction)을 실시했다. 그 결과 공유결합 유기 골격은 그래핀 표면 위에서 잘 정렬되고 구조가 조밀한 형태로 성장할 수 있었다.
파우더 형태와 달리 투명한 표면 위에서 성장하는 이 필름은 현재적인 광학 기기를 이용해 연구될 수 있다. 연구자들은 또한 이들의 구조를 변화시킴으로써 이 구조의 속성을 다양하게 변화시킬 수 있었다. 이에 대해 Dichtel은 "이들 물질들은 매우 다양하다. 우리는 필름 속에 채워지는 분자들에 의존하기 보다는 자연적으로 이들의 속성을 조절하는 방법을 이용했다."고 말했다.
이를 입증하기 위해 연구자들은 3가지 형태의 구조를 지닌 필름을 개발했다. 그 결과, 3가지 중의 하나는 태양 전지에 응용될 수 있는 가능성을 보여주었다: 이것은 프탈로시아닌(phthalocyanine)이라고 불리는 물질을 이용했는데 이 물질은 파란색의 청바지에서부터 잉크에 이르기까지의 생산물들에서 이용되는 산업 염색약에서 일반적으로 발견된다. 이 물질은 또한 엽록소(chlorophyll)와 관련이 있는데 이들은 단일 유기 분자로서는 보기 드물게 대부분의 태양 빛을 모두 흡수한다.
연구 결과와 관련해 Dichtel은 "전극 물질 위에 필름으로서 이들 물질을 이용하는 것은 다양한 기기에서 이들을 이용하는 것을 연구하기 위한 중요한 전진이다. 이 방법은 표면 위에서 분자들의 결합 양상을 예측할 수 있는 일반적인 방법이다. 이번 연구는 다양한 분야에서 이들 물질들을 이용하게 하는 시작점을 열어줄 것으로 기대된다."고 말했다.
그림: 그래핀 위에서 결합되어 있는 분자 빌딩 블럭
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