[논문]탄소나노튜브 전극의 전기화학적 특성

이동윤; 구보근; 이원재; 송재성; 김현주

탄소나노튜브 전극의 전기화학적 특성
Electrochemical Properties of Carbon Nano-Tube Electrode 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.54 no.4, 2005년, pp.139 - 143

이동윤 (Institute of Crystallography, RAS) , 구보근 (인제대학교 전산전자물리학과) , 이원재 , 송재성 (한국과학기술원 재료공학과) , 김현주 (창원대학 신소재재료과정)

Abstract ▼ AI-Helper

For application of carbon nano-tube (CNT) as a counter electrode materials of dye-sensitized solar cell (DSSC), the electrochemical behavior of CNT electrode was studied, employing cyclic-voltammetry (C-V) and impedance spectroscopy. Fabrication of CNT-paste and formation of CNT-counter electrode for characteristic measurement have been carried out using ball-milling and doctor blade process, respectively. Unit cell for measurements was assembled using Pt electrode, CNT electrode, and iodine-embedded electrolyte. Field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM) was used for structural investigation of CNT powder and electrode. Sheet resistance of electrode was measured with 4-point probe method. Electrochemical properties of electrode, C-V and impedance spectrum, were studied, employing potentiogalvanostat (EG&G 273A) and lock in amplifier (EG&G 5210). As a results, the sheet resistance of CNT electrode is almost similar to that of F-doped SnO2 (FTO) coated glass substrate as approximately 10 ohm/sq. From C-V and impedance spectroscopy measurements, it was found that CNT electrode has high reaction rate and low interface reaction resistance between CNT surface and electrolyte. These results provides that CNT electrode were superior to that of conventional Pt electrode. Particularly, the reaction rate in the CNT electrode is about thrice high than Pt electrode. Therefore. CNT electrode is to be good candidate material for counter electrode in DSSC.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 이러한 태양전지에 CNT를 적용하기 위해 촉매 특성을 중심으로 CNT의 전기화학적 특성을 측 정하고 고찰해보았다,
본 연구에서는 CNT가 가지고 있는 여러가지 특성 중 큰 비표면적과 생산가격이 하락하고 있는 점 등에 착안하여 이를 염료감응형 태양전지의 전극으로서 적용을 위해 촉매 특성을 중심으로 하여 CNT의 전기화학적 특성을 측정하고 고찰해 보았다.

제안 방법

그림에서 알 수 있는 것과 같이 셀에 가해주는 DC 바이어스 값이 작을수록 반응이 빠르고 전극계면에서의 저항이 작게 나타나 전극 재료의 산화 또는 환원 반응 전위값에 따라 셀의 임피던스 특성이 달라짐을 알 수 있다. 따라서, 본 실험에서 사용된 CNT 전극의 경우 환원 반응이 일어나는 전 위 값이 대략 -0.5 V 근처에서 일어나는 점을 미루어 이때의 결과를 이용하여 스펙트럼 특성을 설명하였다.
여기서, 전해질 저 항 즉, Rs 값은 일정하며, 전해질에 따라 다르게 나타나는 값이다. 또한 이 값은 사용된 전해질의 농도 및 셀부피에 의존하는데 이 조건을 여러 샘플에 대해 동일하게 유지하여 측정하였다. 그림 6에 도시된 결과로 볼 때, 본 실험에 사용된 샘플은 저항과 커패시터로 이루어진 간단한 회로를 형성하고 전극반응은 요오드에 의한 하나의 반응만 가짐을 예측할 수 있다.
우선, CNT 전극막을 제조하기 위한 초기 물질로 MWCNT 분말을 사용하고, 용매는 deionized water (D.I water), 바인더는 carboxylmethylcellose (CMC)를 사용하였고, 이들을 이용한 페이스트는 각각의 양과 혼합방법을 변화시켜가며 제조하였다.
또한, CNT 자체저항이 약 #로 전도성이 매우 좋고, 막 제조 후 4-point probe를 이용하여 측정된 면저항 또한 약 10Q/ 으로 기판으로 사용된 투명전극과 유사하여 전극재료로서 손색이 없음을 확인하였다. 이러한 특성을 가진 CNT 전극막을 Pt 보조전극과 접합하여 측정용 셀을 제조한 후 C-V 거동특성 및 임피던스 스펙트럼을 측정하고 분석하였다.
CNT 뿐 아니라 본 연구실에서 선행 연구된 Pt의 경우 역시 동일한 반응을 보였으며, 다양한 주사 속도 중 100 mV/s의 경우가 반웅 전위 peak이 뚜렷하게 나타나 촉매 반응을 비교 분석하기 위해 적정한 것으로 나타났다. 이에 상대전극 연구 시 적정 주사속도를 100 mV/s로 판단하고, 이후 측정을 동일 조건에서 진행하였다.
전기화학적 특성 측정을 위한 보조 전극 및 기준전극으로는 RF 마그네트론 반응성 스퍼터링 장비(SHIMADZU)를 이용하여 Pt 막을 제조하여 사용하였다. 스퍼터링 조건은, 타켓은 직경 4의 Pt를 사용하였으며, 초기 진공도 1x106 torr 이하였고, 작업 중진공도와 방전전력은 각각 3x10-3 sit와 150W로 고정시켰으며, 가스는 Ar으로 50 seem 이었다.
전기화학적 특성 측정을 위해 위 2.1에서 준비된 작업전극 과 보조전극을 실링제(solaronics SA, Amosil 4)를 사용하여 샌드위치형으로 접합하고 요오드 이온을 함유하고 있는 전해질 주입 후 최종 밀봉하여 측정용 샘플을 준비하였다[Fig. 2], 사용된 전해질은 염료감응형 태양전지의 상대전극 재료로 적용을 위해 선택된 것이다.
최적 무게비에 따라 CNT 분말, D.I water, CMC를 칭량한 후 혼합하여 초기 페이스트를 만든 후, 혼합된 paste를 balll- milling기를 이용하여 24시간 혼합시켜 균일한 상태의 최종 페이스트로 제조하였다. 제조된 pas를 이용하여 SnO₂:F 기 판위에 9mm X 9mm 크기로 doctor blade법으로 프린팅하였으며, 70에서 건조시켜 막을 형성하였다.

대상 데이터

Cyclic-voltammetry (C-V) 및 impedance spectroscopy 등의 전기화학적 특성은 일반적으로 잘 알려진 3-전극 시스템인 potentiogal.,anostat (EG&G 273A)와 lock-in amplifier (EG&G 5210)를 사용하여 측정하였다. 모든 측정은 상온, 공기 중에서 이루어졌다.
전극을 제조하기 위한 초기 분말은 (주)카본나노텍에서 Fe 촉매를 사용하여 열화학기상증착 법으로 제조한 것으로, 평균 직경은 10~20nm, 평균 길이는 5gm인 multi-wall Carbon Nano Tube (MWCNT, 이하 CNT라 함)이다.

데이터처리

CNT의 넓은 표면적은 FE-SEM 결과를 통해 확인하였으며, 전기화학적 특성은 cycHc voltammetry (C-V) 및 impedance spectroscopy를 이용하여 평가하였다.

성능/효과

C-V 및 impedance 스펙트럼 측정 결과, 넓은 표면적에 의한 전해질과의 반응량이 크게 나타나고 우수한 반응 전위 특성 및 탄소나노튜브의 높은 전기전도도로 인한 전해질과 전극 계면 사이저항이 매우 낮은 결과를 보였으며, 이는 기존에 알려진 Pt와 비교했을 때 우수한 특성임을 확인하였다.
12 V로 이동하였다. CNT 뿐 아니라 본 연구실에서 선행 연구된 Pt의 경우 역시 동일한 반응을 보였으며, 다양한 주사 속도 중 100 mV/s의 경우가 반웅 전위 peak이 뚜렷하게 나타나 촉매 반응을 비교 분석하기 위해 적정한 것으로 나타났다. 이에 상대전극 연구 시 적정 주사속도를 100 mV/s로 판단하고, 이후 측정을 동일 조건에서 진행하였다.
한편, 전극에서 용액으로, 또는 그 반대 방향으로 전자가 이동할 때에 극복해야 할 저항을 일반적으로 편극저항 (polarization resistance- Rp) 이라고 부르며, 그 값은 그림의 실수축 즉 X축에 나타나는 전해질 저항값과 반웅물질 확산이 시작되기 전 저항값 차이에 해당하는 값을 나타낸다[9]. 따라서, 본 실험에 사용된 CNT 전극의 경우 -0.5V의 DC bias를 걸었을 경우 Rp값이 약 35 ohm임을 알 수 있었다.
따라서, 본 연구결과 CNT가 현재 전극재료로서 널리 사용 중인 Pt에 비해 전기화학적 특성이 결코 떨어지지 않으므로, 태양전지의 상대전극 재료로서 충분히 적용가능성 있는 재료라고 사료되어진다.
그림에서 볼 수 있듯이, CNT를 이용하여 전극막을 형성함으로써 전해질과 접촉할 수 있는 반웅면적이 일반적으로 사용되는 금속 재료에 비해 매우 넓음을 알 수 있다. 또한, CNT 자체저항이 약 #로 전도성이 매우 좋고, 막 제조 후 4-point probe를 이용하여 측정된 면저항 또한 약 10Q/ 으로 기판으로 사용된 투명전극과 유사하여 전극재료로서 손색이 없음을 확인하였다. 이러한 특성을 가진 CNT 전극막을 Pt 보조전극과 접합하여 측정용 셀을 제조한 후 C-V 거동특성 및 임피던스 스펙트럼을 측정하고 분석하였다.
그림에서 전극반응의 속도는 곧 전류의 세기를 나타내며, J-V 즉, peak의 내부 면적은 총 반응량을 의미한다. 이러한 CNT의 결과는 그림에서 보는 것과 같이일반적으로 전극으로 가장 좋다고 알려진 Pt 보다 태양전지의 상대전극으로서의 촉매 및 전극 특성이 월등히 좋게 나타남을 확인할 수 있다
그림 6으로부터 CNT 전극과 전해질사이의 계면 특성을 알 수 있었고, 그림 7로부터 우리는 CNT의 반응속도를 비교하여 예측할 수 있다. 즉, CNT의 임피던스 결과로부터 일반적으로 알려진 Pt의 결과와 비교해볼때, 그림 6으로부터 CNT의 경우 Pt에 비해 계면에서의 복합저항이 약 1/5 정도로 작으며 전극 반응이 쉽게 일어남을 확인할 수 있으며, 그림 7로부터 역시 CNT가 Pt에 비해 전극과 전해질 사이의 저항 값이 매우 작고, 저항의 실수와 허수두 벡터사이의 위상각이 작으며, 높은 주파수에서 반응 특성을 보임으로써 요오드의 redox 반응이 잘 일어나고 있음을 알 수 있다 [7].

참고문헌 (10)

P. Delaney, H.J. Choi, J. Ihn, S.G. Louie, and M.L. Cohen, Nature 391 (1998) 466

상세보기
S.H. Jhi, J. Ihm, S.G. Louie, and M.L. Cohen, Nature 399 (1999) 132

상세보기
S.J. Tans, R.M. Verschueren, and C. Dekker, Nature 393 (1998) 49
C. Liu, Y.Y. fan, M. Liu, H.T. Cong, H.M. Cheng, and M.S. Dresselhaus, Science 286 (1999) 1127

상세보기
J. Kong, N.R Franklin, C. Zhou, M.G. Chapline, S. Peng, K. Cho, and H. Dai, Science 287 (2000) 622

상세보기
H.J. Sang, et al, Nature 412, 169

상세보기
구보근, 이동윤, 김현주, 이원재, 송재성, '백금상대전극의 제조법에 다른 감료감응형 태양전지의 효율비교', 한국전기전자재료학회 2004년도 하계학술대회 논문집, Vol. 5, No. 1, pp 385-388, 2004
백운기, 박문수, '개정2판 전기화학', pp.59-202, 2003
Macdonald, J.R, Impedance spectroscopy, Emphasizing Solid Materials and Systems, John Wiley & Sons, New York, pp. 20-25, 1987
F.Scholz, Electroanalytical Methods, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, pp 149-166, 2002

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증