그래핀의 열팽창 물성과 DSSC 응용에 관한 연구

Abstract

그래핀은 흑연을 화학적으로 산화 (Oxidation)시켜 만든 그래핀 산화물 (Graphene oxide, GO)의 열처리 처리 방법으로 만들 수 있다. 이러한 단순한 열환원 (Thermal reduction) 방법을 통해 저렴하게 그래핀을 만들 수 있지만, 이를 전도성재료나 복합재료 등으로 활용하기 위해선 이에 대한 기초물성과 응용에 관한 더 진전된 연구가 필요하다. 이러한 요구에 대응하기 위하여 본 연구에서는 1273 K의 고온에서 GO분말을 열환원하여 제조한 그래핀 분말과 523-573 K 정도의 비교적 저온에서 GO박막을 열환원하여 제조한 그래핀 박막의 물성 및 기능성을 분석하였다. GO분말을 1273 K에서 열환원하여 얻은 그래핀의 열팽창 물성을 분석하였다. 373 K 에서 1273 K까지의 온도구간에서 그래핀의 열팽창 계수의 분포는 흑연의 열팽창 계수와 비교하여 낮게 나타나는 구간 (Z1), 유사한 구간 (Z2), 높게 나타나는 구간 (Z3) 으로 나눌 수 있었다. 이러한 차이는 기저면 간의 약한 상호작용과 고유하게 나타나는 물결 형태의 굴곡에 의한 것으로 여겨진다. 이처럼 열 환원한 그래핀의 열팽창계수는 흑연과 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 열 환원 공정은 절연성의 그래핀 산화물 박막을 전도성 그래핀 박막으로 전환하는데 이용할 수 있다. 이것은 염료감응 태양전지나 유기 태양전지의 투명 전도성 산화물 박막의 대체 재료로서 유연 전극이나 투명 전극의 핵심 재료로 이용할 수 있다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 불완전 열 환원한 그래핀 산화물이 낮은 전도성을 지님에도 염료감응 태양전지의 상대전극에 쓰여 촉매 작용을 함을 보였다. 가장 얇은 그래핀 산화물 박막에서 2.30 %의 가장 높은 효율을 보였으며 이는 촉매가 없는 경우 (0.74 %) 나 다른 전도성 그래핀을 이용하였을 때 (0.84-1.1 %) 보다 더 높은 수치이다. 이는 상대전극 상의 그래핀 박막의 친수적 물성에 의해 상대전극과 이온 간의 전자 전달이 효과적으로 일어나기 때문이라고 생각된다. 위와 같이 고온 열환원을 통해 얻어진 그래핀의 열팽창계수를 구함으로써 흑연과의 열물성 차이를 실질적으로 확인할 수 있었으며, 그래핀 산화물 박막을 적당히 열처리하여 부분적으로 환원한 것을 염료감응 태양전지에 응용하여 높은 효율을 나타냄으로써 GO 를 완전히 환원하지 않고도 전기 화학적 기능을 발휘한다는 것을 알 수 있었다.| Graphene could be made from the simple heat treatment after synthesizing graphene oxide (GO) by chemically oxidating pristine graphite. The thermal reduction is the simple and economical method to make graphene, but the advanced studies are required in order to practically use the thermally reduced GO as conductive materials and composites. In this study, in order to meet the demand, it's described the property and functionality of both the graphene powder calcined at 1273 K and the graphene thin film appropriately annealed at 523-573 K. The thermal expansion of GP obtained by thermally reducing GO powder at 1273 K was investigated for the first time. The thermal expansion coefficients (TECs) of GPs could be divided by three sections (Z1, Z2, Z3) and directly compared with those of pristine graphite from 373 K to 1273 K; a lower section (Z1) than TECs of pristine graphite, similar section (Z2) and higher section (Z3) than TECs of pristine graphite. We considered that these differences appeared from the weak interaction between basal-planes and the intrinsic mophology like nanocurvatures. According to that, the thermal expansion behavior of GPs was different from that of pristine graphite. The thermal reduction process of solution-base coated GO film gives rise to a conductive GP film. This has important uses in the preparation of flexible electrodes or transparent electrodes as alternatives to transparent conducting oxide in dye-sensitized solar cells (DSSC) and organic solar cells. In this study, water-insoluble and insulator-like catalytic GO thin films were used as the counter electrodes of DSSC. The maximum obtained is 2.30 % for the ultrathin GO film, which is higher than that of DSSC without catalysis (0.74 %) and other types of solar cells that use conductive GP electrodes (0.84-1.1 %). It is considered that the electron delivery between a counter electrode and ions readily causes due to the hydrophilic property of GO thin film coated on a counter electrode. We was able to confirm the difference between TECs of graphite and GP obtained from the high temperature such as above thing and that, in spite of the imperfect reduction, partially reduced GO film represents the elecro-chemical function as the catalyst of DSSC.; Graphene could be made from the simple heat treatment after synthesizing graphene oxide (GO) by chemically oxidating pristine graphite. The thermal reduction is the simple and economical method to make graphene, but the advanced studies are required in order to practically use the thermally reduced GO as conductive materials and composites. In this study, in order to meet the demand, it's described the property and functionality of both the graphene powder calcined at 1273 K and the graphene thin film appropriately annealed at 523-573 K. The thermal expansion of GP obtained by thermally reducing GO powder at 1273 K was investigated for the first time. The thermal expansion coefficients (TECs) of GPs could be divided by three sections (Z1, Z2, Z3) and directly compared with those of pristine graphite from 373 K to 1273 K