KR101454401B1 - Carbon nanotube electrodes by post-thermal oxidation and its method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 전극에 관한 것으로서, 탄소나노튜브 분말과 분산제를 용매와 혼합하여 탄소나노튜브 분산용액을 만드는 제1 단계와; 상기 제1단계의 분산용액을 기판에 코팅 또는 전사하는 제2단계; 그리고 상기 2단계에서 준비된 시료를 산소 분위기 하에서 250 이상 550℃ 이하의 온도로 후열처리하는 제3단계;로 이루어지는 후열처리 산화법에 의한 탄소나노튜브 전극 제조방법을 제공하는 것을 그 기술적 특징으로 한다. 그리고, 바람직하기로는, 상기 제 3단계를 거친 시료를 20 내지 150℃ 온도 하에서 진공건조 시키는 제2후열처리 단계를 더 포함하도록 한다. 제1후열처리 과정에서 필요로 하는 산소는 대기 중, 별도 산소가스 주입 또는 폴리카보네이트와 같은 고분자의 산화에 의한 것 중 어느 하나 또는 둘 이상의 산소공급 환경에서 이루어지도록 하며, 상기 기판 위에 형성되는 탄소나노튜브막의 두께는 0.5㎛ 이하가 되도록 한다. 본 발명은 전극 표면의 후열처리를 통해 산화시킴으로써 전극 표면의 친수성을 획기적으로 향상시켜 유기 전해질 내 이온과의 상호작용을 향상시켜 전해질과의 계면에서 전자전달의 환원반응에 소요되는 반응시간과 계면저항을 감소시킴으로서 전자전달 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to a carbon nanotube electrode, comprising: a first step of mixing a carbon nanotube powder and a dispersant with a solvent to prepare a carbon nanotube dispersion solution; A second step of coating or transferring the dispersion solution of the first step onto a substrate; And a third step of subjecting the sample prepared in step 2 to a post-heat treatment at a temperature of 250 ° C. to 550 ° C. in an oxygen atmosphere. The present invention also provides a method of manufacturing a carbon nanotube electrode by post-annealing oxidation. Preferably, the method further comprises a second post-heat treatment step of vacuum-drying the sample after the third step at a temperature of 20 to 150 ° C. The oxygen required for the first post-annealing process may be one or two or more of oxygen-enriched atmosphere, separate oxygen gas injection, or oxidation of a polymer such as polycarbonate, and the carbon nano The thickness of the tube film is made to be 0.5 탆 or less. The present invention improves the hydrophilicity of the surface of the electrode drastically by oxidizing the surface of the electrode through post-heat treatment to improve the interaction with the ions in the organic electrolyte, so that the reaction time required for the reduction reaction of electron transfer at the interface with the electrolyte, The electron transport performance can be improved.

Description

후열처리 산화법에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법 {Carbon nanotube electrodes by post-thermal oxidation and its method}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a carbon nanotube electrode manufactured by a post-

본 발명은 탄소나노튜브 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 전극 표면의 후열처리를 통해 산화시킴으로써 전해질과 접촉하게 되는 전극 표면의 친수성을 향상시킴으로써 유기 전해질 내의 이온과 상호작용을 용이하게 하여 탄소나노튜브 소재의 탑재량을 최소화하면서 투명도가 보다 우수하고 백금에 상응하는 전기화학적 성능을 달성할 수 있는 후열처리 산화법에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube electrode, and more particularly, to a carbon nanotube electrode capable of facilitating interaction with ions in an organic electrolyte by improving hydrophilicity of an electrode surface to be brought into contact with an electrolyte by post- The present invention relates to a carbon nanotube electrode manufactured by a post heat treatment oxidation method which can achieve an excellent transparency and an electrochemical performance corresponding to platinum while minimizing the amount of a carbon nanotube material to be carried.

일반적으로, 탄소나노튜브는 금속에 버금가는 전기전도도를 가지고 있으며, 비표면적이 넓고 화학적 기계적으로 안정하며, 전기화학 반응용 전극으로 사용되는 경우 촉매 역할을 수행하기 때문에 염료감응 태양전지의 상대전극으로 기존에 사용되던 고가의 백금 전극을 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한 기타 전지, 슈퍼캐패서터 등에 이용되는 전기화학 전극으로 활용이 가능하다.In general, carbon nanotubes have electrical conductivity similar to that of metals, have a large specific surface area, are chemically and mechanically stable, and serve as catalysts when used as electrodes for electrochemical reactions. It is expected to replace expensive platinum electrodes that have been used previously. It can also be used as an electrochemical electrode for use in other cells, supercapacitors, and the like.

상기 염료감응 태양전지의 경우를 고려하면, 염료감응 태양전지는 광흡수를 통해 여기된 광전자를 생성할 수 있는 광감응 염료는 광전자를 흡수하여 외부전극으로 이동시킬 수 있는 다공성 n형 반도체 산화물막의 표면에 흡착되어 있으며, 전해질 층에는 여기된 전자를 n형 반도체 산화물 층으로 주입하고 산화된 염료에 전자를 공급해주는 이온이 있어 지속적으로 광흡수를 할 수 있게 된다. 이렇게 광전극에 전자를 공급하고 산화된 이온은 전해질 층을 가로질러 상대전극으로 이동하게 된다. 산화된 이온은 상대전극에서 환원반응을 통해 전자를 공급받아, 다시 광전극측으로 이동하게 되면서 계속적으로 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하게 된다. Considering the case of the dye-sensitized solar cell, the dye-sensitized solar cell has a structure in which a photosensitive n-type semiconductor oxide oxide film capable of absorbing photoelectrons and moving to an external electrode, And the excited electrons are injected into the n-type semiconductor oxide layer in the electrolyte layer, and ions that supply electrons to the oxidized dye are continuously absorbed. The electrons are supplied to the photoelectrode and the oxidized ions move to the counter electrode across the electrolyte layer. The oxidized ions receive the electrons through the reduction reaction at the counter electrode and then move to the photoelectrode side, and continuously convert the solar energy into electrical energy.

이때 상대전극은 전해질 내 이온과 환원반응 속도 및 계면저항을 최소화하여 촉매특성을 극대화하기 위해 전자의 전달에 있어서 손실을 최소한으로 유지하는 것이 중요하다. 이러한 요구사항에 부합되는 소재로 종래에는 백금이나 팔라듐과 같은 귀금속이 사용되고 있으나, 고가이거나 매장량에 한계가 있으며, 장시간 사용 시 강한 산성의 전해질 내에서 화학적 안정성에 의문이 제기되고 있다.In this case, it is important to minimize the loss of electrons in the counter electrode in order to maximize the catalytic characteristics by minimizing the ionization and reduction reaction rate and interface resistance in the electrolyte. Conventionally, noble metals such as platinum and palladium are used as materials meeting these requirements, but they are expensive and have limited reserves, and chemical stability in a strong acid electrolyte is questioned over a long period of use.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 비교적 가격이 저렴하고 전해질 내에서 화학적 안정성이 우수한 탄소나노튜브를 상대전극으로 활용하는 기술이 개발되었다. 탄소나노튜브 상대전극은 탄소나노튜브를 고분자 바인더와 혼합하여 제조된 페이스트(paste)를 스크린 프린팅 및 스프레이 공정을 이용하여 기판에 도포하는 방식으로 제조되며, 열처리를 통하여 절연성 바인더 및 유기성 불순물을 제거 시키는 후공정이 포함되어 있다.To solve this problem, a technology has been developed that utilizes carbon nanotubes as counter electrodes, which are relatively inexpensive and have excellent chemical stability in the electrolyte. The carbon nanotube counter electrode is manufactured by applying a paste prepared by mixing a carbon nanotube with a polymer binder to a substrate using a screen printing and a spraying process, and removing the insulating binder and organic impurities through heat treatment Post-processing is included.

도1과 도2를 참조하여 일반적인 탄소나노튜브의 전극구조를 살펴보기로 한다. 먼저 도 1은 종래 일반적인 탄소나노튜브의 전극구조를 나타낸 도이다. 도시된 바와 같이, 전도성기판(10) 표면에 도포된 탄소나노튜브 막(20)이 상대전극으로 사용하는 경우, 가격이 상대적으로 저렴하고 화학적 안정성이 우수한 장점이 있지만, 탄소나노튜브 막의 두께가 통상적으로 5㎛ 이상으로 이루어진다. 이 경우 탄소나노튜브 막의 두께로 인하여 불투명하며, 많은 양의 탄소나노튜브가 사용되는 문제점이 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, an electrode structure of a general carbon nanotube will be described. FIG. 1 is a view showing an electrode structure of a conventional carbon nanotube. As shown, when the carbon nanotube film 20 coated on the surface of the conductive substrate 10 is used as a counter electrode, the cost is relatively low and the chemical stability is excellent. However, when the thickness of the carbon nanotube film is Lt; / RTI > In this case, it is opaque due to the thickness of the carbon nanotube film, and a large amount of carbon nanotubes are used.

이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방법으로 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브를 마이크로볼(20') 형태로 제작하여 전도성 기판에 도포되도록 하고 있다. 이 경우, 사용되는 탄소나노튜브의 양이 상대적으로 적어지고, 투명도가 개선되어 반투명전극으로써 백금에 준하는 성능을 나타낼 수는 있으나, 별도의 마이크로볼 형태의 제작과정을 거쳐야 하는 문제점이 있다.As one method for solving such a problem, as shown in FIG. 2, carbon nanotubes are formed in the form of microballs 20 'and applied to a conductive substrate. In this case, the amount of the carbon nanotubes to be used is relatively small and the transparency is improved, so that the translucent electrode can exhibit the performance similar to that of platinum, however, there is a problem that a separate micro ball type fabrication process is required.

본 발명은 상기 필요성에 의해 안출된 것으로서, 탄소나노튜브 분산액을 이용하여 투광성이 있는 보다 얇은 탄소나노튜브 막을 형성하고, 이를 산소원 하에서 후열처리 함으로써 전해질과의 계면에서 전자전달의 환원반응에 소요되는 시간상수와 계면저항을 감소시켜 고효율 촉매전극을 달성함으로써, 적은 양의 탄소나노튜브 사용이 가능하도록 한 후열처리 산화법에 의한 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above needs, and it is an object of the present invention to provide a thin carbon nanotube film having transparency by using a carbon nanotube dispersion and post-heat treatment thereof in an oxygen source, The present invention aims to provide a carbon nanotube electrode by heat treatment oxidation method and a manufacturing method thereof by making it possible to use a small amount of carbon nanotubes by achieving a high efficiency catalyst electrode by reducing a time constant and an interface resistance.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄소나노튜브 분말과 분산제를 용매와 혼합하여 탄소나노튜브 분산용액을 만드는 제1 단계와; 상기 제1단계의 분산용액을 기판에 코팅 또는 전사하는 제2단계; 그리고 상기 2단계에서 준비된 시료를 산소분위기 하에서 250 이상 550℃이하의 온도로 후열처리하여 탄소나노튜브 표면을 산화시켜 친수성을 부여하는 제3단계; 상기 제 3단계를 거친 시료를 20 내지 150℃ 온도하에서 진공건조 시켜 수분을 제거하는 제2후열처리 단계:로 이루어지는 후열처리 산화법에 의한 탄소나노튜브 전극 제조방법을 제공하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube dispersion, comprising: a first step of mixing a carbon nanotube powder and a dispersant with a solvent to prepare a carbon nanotube dispersion solution; A second step of coating or transferring the dispersion solution of the first step onto a substrate; A third step of subjecting the sample prepared in step 2 to a post-heat treatment at a temperature of 250 to 550 ° C. in an oxygen atmosphere to oxidize the carbon nanotube surface to impart hydrophilicity; And a second post-heat treatment step of vacuum-drying the sample that has undergone the third step at a temperature of 20 to 150 ° C to remove water. The present invention also provides a method of manufacturing a carbon nanotube electrode by post-annealing oxidation.

바람직하기로는 후열처리 과정에서 필요로 하는 산소는 대기중, 별도 산소가스 주입 또는 폴리카보네이트와 같은 고분자의 산화에 의한 것 중 어느 하나 또는 둘 이상의 산소공급 환경에서 이루어지고, 탄소나노튜브막의 두께는 0.5㎛ 이하로 이루어지도록 하고, 상기 기판 위에 형성된 산소분위기하의 후열처리된 탄소나노튜브 막은 20 내지 150℃ 온도 하에서 진공 건조 시키는 제2후열처리 되도록 한다Preferably, the oxygen required in the post-heat treatment process is in atmospheric, separate oxygen gas injection, or oxidation of a polymer such as polycarbonate, and the thickness of the carbon nanotube film is 0.5 Mu] m or less, and the post-heat treated carbon nanotube film formed on the substrate in an oxygen atmosphere is subjected to a second post-heat treatment in vacuum drying at a temperature of 20 to 150 [deg.] C

상기 발명은 탄소나노튜브 전기화학 전극에 있어서 전극반응 효율을 증가시킴으로써, 염료감응 태양전지를 포함하는 에너지 변환 장치에서 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 특히, 전극 표면을 후열처리를 통해 산화시킴으로써 전극 표면의 친수성을 획기적으로 향상시켜 전해질 내 이온과의 상호작용을 향상시켜 전해질과의 계면에서 전자전달의 환원반응에 소요되는 반응시간과 계면저항을 감소시킴으로서 전자전달 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention can increase conversion efficiency in an energy conversion device including a dye-sensitized solar cell by increasing the electrode reaction efficiency in a carbon nanotube electrochemical electrode. In particular, by oxidizing the electrode surface through post-heat treatment, the hydrophilicity of the electrode surface is drastically improved to improve the interaction with ions in the electrolyte, thereby reducing the reaction time and interface resistance required for the reduction reaction of electron transfer at the interface with the electrolyte It is possible to improve the electron transfer performance.

또한, 기존보다 얇고 균일한 막 형태로 이루어짐에 따라 적은 양의 탄소나노튜브 사용이 가능하며, 가시광에 대한 투과율이 보다 향상됨에 따라 기존의 백금과 유사한 고투과 고성능을 달성 할 수 있어 투명 촉매전극으로의 사용이 가능한 장점이 있다.In addition, since it is made thinner and more uniform than the conventional one, it is possible to use a small amount of carbon nanotubes, and the transmittance to visible light is further improved, so that it is possible to achieve high transmittance and high performance similar to those of conventional platinum, There are advantages that can be used.

도 1은 종래 일반적인 탄소나노튜브의 전극구조를 나타낸 도.
도 2는 종래 마이크로볼을 이용한 탄소나노튜브의 전극구조를 나타낸 도.
도3은 본 발명에 의한 전도성 기판에 산소분위기 하에서 후열처리된 탄소나노튜브 전극의 개념도.
도4는 본 발명에 의한 후열처리 산화법에 의한 탄소나노튜브 전극의 제작과정을 나타낸 도.
도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 이용한 염료감응 태양전지의 특성값을 나타낸 도.
도 6은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 전류-전압 특성곡선을 나타낸 도.
도7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 이용한 염료감응 태양전지의 임피던스 스펙트럼을 나타낸 도.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극의 (a)는 표면 주사현미경사진이고, (b)는 1시간 산처리된 다중벽 탄소나노튜브 분말의 열분석 곡선을 나타낸 도이고, (c)는 물을 이용한 접촉각을 나타낸 도이고, (d)는 라만스펙트럼을 나타낸 도.
도 9는 본 발명에 따른 전극의 (a)는 가시광선에 대한 투과율 곡선을 나타낸 도이고, (b)는 본 발명에 따른 투과율(25%), 투과율(75%)의 후열처리 온도에 따른 태양전지 전류-전압 특성곡선을 나타낸 도.
도 10은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 코발트계(Co/(bpy)3)3 +/2+산화환원쌍) 전해질을 이용한 염료감응 태양전지의 특성값을 나타낸 도.
도 11은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 전류-전압 특성곡선을 나타낸 도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing an electrode structure of a conventional carbon nanotube. FIG.
BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a carbon nanotube.
3 is a conceptual view of a carbon nanotube electrode post-heat-treated in an oxygen atmosphere on a conductive substrate according to the present invention.
4 is a view illustrating a process of fabricating a carbon nanotube electrode by a post-heat treatment oxidation method according to the present invention.
5 is a graph showing a characteristic value of a dye-sensitized solar cell using an iodine (I - / I 3 - redox pair) electrolyte of a carbon nanotube electrode according to the present invention.
6 is a graph showing a current-voltage characteristic curve of a dye-sensitized solar cell using a carbon nanotube electrode as a counter electrode according to the present invention.
7 is a graph showing an impedance spectrum of a dye-sensitized solar cell using an iodine (I - / I 3 - redox pair) electrolyte of a carbon nanotube electrode according to the present invention.
FIG. 8 is a photograph of a carbon nanotube electrode manufactured by the present invention, wherein (a) is a surface scanning microscope photograph, (b) is a thermal analysis curve of a multi-walled carbon nanotube powder treated for 1 hour, and ) Is a diagram showing a contact angle with water, and (d) is a diagram showing a Raman spectrum.
FIG. 9 is a graph showing a transmittance curve of visible light according to the present invention. FIG. 9 (b) is a graph showing the transmittance (25%) and transmittance (75% FIG. 5 is a graph showing a battery current-voltage characteristic curve. FIG.
10 is a graph showing a characteristic value of a dye-sensitized solar cell using a cobalt-based (Co / (bpy) 3 ) 3 + / 2 + redox pair electrolyte of the carbon nanotube electrode according to the present invention.
11 is a graph showing a current-voltage characteristic curve of a dye-sensitized solar cell using a carbon nanotube electrode as a counter electrode according to the present invention.

본 발명은 전도성 기판 위에 얇은 막 형태의 탄소나노튜브를 결합시켜 염료감응 태양전지에서 상대전극으로의 사용 및 범용적인 전기화학 전극으로 사용하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전극 및 제조방법에 따르면, 탄소나노튜브 전극을 후열처리 산화시킴으로써 전극반응 성능을 향상시킨 것이다.According to the present invention, there is provided an electrode and a method for manufacturing the same, wherein carbon nanotubes in a thin film form are bonded to a conductive substrate to be used as a counter electrode in a dye-sensitized solar cell and as a general electrochemical electrode. And the electrode reaction performance is improved by post-annealing and oxidizing the nanotube electrode.

이하 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 전도성 기판에 후열처리된 탄소나노튜브 전극 및 그 제조방법에 대해 설명하고자 한다.Hereinafter, a carbon nanotube electrode post-heat-treated on a conductive substrate according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 의한 전도성 기판에 후열처리된 탄소나노튜브 전극의 개념도 이다. 3 is a conceptual view of a carbon nanotube electrode post-heat-treated on a conductive substrate according to the present invention.

도시된 바와 같이, 전도성기판(100)위에 탄소나노튜브(CNT)(200)가 얇은 막 형태로 도포되어 있다. 이때 상기 탄소나노튜브막의 두께는 대략 0.5㎛ 이하가 되도록 한다. 이러한 두께는 종래 일반적인 5㎛ 이상의 두께에 비하면 약 10배 이상 얇은 막 형태로 이루어짐을 알 수 있다. 이러한 얇은 막 형태로 인해 가시광에 대한 투과율이 증대됨은 물론이다. 이 경우 가시광에 대한 투과율이 증대되어 반투명 형태로 이루어지며, 이는 투명전극으로의 사용이 가능함을 의미한다. 본 발명에 의한 탄소나노튜브 표면이 후열처리로 산화됨으로써 친수성이 향상되어 전자전달 성능의 향상에 의한 에너지 변환 효율이 증대됨을 알 수 있다. 이하 이러한 구조를 가지는 본 발명의 탄소나노튜브 투명전극의 제작과정을 도시한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. As shown in the figure, a carbon nanotube (CNT) 200 is applied on a conductive substrate 100 in the form of a thin film. At this time, the carbon nanotube film has a thickness of about 0.5 탆 or less. It can be seen that this thickness is about 10 times or more thinner than the conventional thickness of 5 mu m or more. It goes without saying that the transmittance of visible light is increased due to such a thin film form. In this case, the transmittance with respect to visible light is increased to form a translucent shape, which means that it can be used as a transparent electrode. The surface of the carbon nanotubes according to the present invention is oxidized by a post heat treatment, thereby improving the hydrophilicity and increasing the energy conversion efficiency by improving the electron transfer performance. Hereinafter, a process for fabricating the carbon nanotube transparent electrode of the present invention having such a structure will be described with reference to the drawings.

도 4는 본 발명에 의한 후열처리 산화법에 의한 탄소나노튜브 전극의 제작과정을 나타낸 도이다. 4 is a view illustrating a process of fabricating a carbon nanotube electrode by the post-heat treatment oxidation method according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 가장 큰 특징은 전도성 기판에 탄소나노튜브 분산액을 도포 후, 산소 존재하에서 후열처리함으로써 탄소나노튜브 막의 표면이 산화되도록 하는데 가장 큰 특징이 있다. As shown in the figure, the most significant feature of the present invention is that the surface of the carbon nanotube film is oxidized by applying a dispersion of carbon nanotubes to a conductive substrate and then post-heating in the presence of oxygen.

먼저, 제1단계 과정을 설명하기로 한다. 베이스가 되는 전도성기판으로 사용가능한 것은 에프티오(FTO) 아이티오(ITO), 탄소나노튜브 전도성전극, 금속기판, 플라스틱기판 및 섬유상 기판 등 어느 것이나 가능하며, 특별한 제한은 없다. 그리고 시중에서 구입한 탄소나노튜브 분말과 분산제를 용매에 혼합하여 분산용액을 만든다. 이때 사용되는 용매는 통상적인 물, 알코올, 아세톤, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아미드(DMF), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 피리딘 및 테트라하이드로퓨란(THF) 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 사용하여도 무방하다. 그리고 이러한 용매에는 탄소나노튜브 분말의 고른 분산을 위하여 분산제를 사용할 수 있으며, 사용가능한 분산제로는 소듐도데실설포네이트(sodium dodecylsulfonate), 소듐도데실벤젠설포네이트(sodium dodecylbenzenesulfonate), 트리톤 엑스(Triton X) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것도 좋다. 이러한 용매 및 분산제는 통상 탄소나노튜브 분산액 제조시 사용 가능한 것들로써 어느 것이나 가능하며, 특별한 제한은 없다.First, the first step process will be described. Any conductive substrate such as FTO (ITO), a carbon nanotube conductive electrode, a metal substrate, a plastic substrate, and a fibrous substrate can be used as the base substrate. Then, a commercially available carbon nanotube powder and a dispersant are mixed with a solvent to prepare a dispersion solution. The solvent used herein may be any of water, alcohol, acetone, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), benzene, toluene, xylene, pyridine and tetrahydrofuran It may be used. The dispersing agent may be sodium dodecylsulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, Triton X, or the like. The solvent may be a dispersing agent for uniform dispersion of the carbon nanotube powder. Examples of usable dispersing agents include sodium dodecylsulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, ) Or a mixture of two or more of them may be used. These solvents and dispersants are generally usable in the production of carbon nanotube dispersions, and there is no particular limitation.

제2단계는 1단계에서 제조된 탄소나노튜브 분산용액을 전도성기판에 코팅 또는 전사하는 단계로써, 스프레이 코팅, 필름전사법 또는 잉크젯 법 등 어느 하나의 방법을 이용하여도 좋다. 다만, 이러한 코팅 및 전사가 종래와 다른 것은 후술하는 제3단계의 후열처리 완료 후, 종래보다 얇은 막으로 탄소나노튜브의 사용량을 획기적으로 줄이며, 더불어 가시광선에 대한 투과율까지 확보할 수 있는 특징이 있다. 분산성이 우수한, 즉 거시적 응결체가 없는 나노카본 분산용액을 사용하는 경우, 전극의 사용량은 투과율에 반비례하게 되는데, 분산용액의 도포량을 조정하여 탄소나노튜브 전극의 가시광 투과율이 바람직하기로는 550nm 파장에서 10% 이상이 되로록 조정하면 족할 것이다. The second step is a step of coating or transferring the carbon nanotube dispersion solution prepared in step 1 on a conductive substrate, and any one of a spray coating method, a film transfer method, and an ink jet method may be used. However, such coating and transfer are different from conventional ones in that the amount of the carbon nanotubes is dramatically reduced by using a thinner film than the conventional one after completion of the post-heat treatment after the third step described later, and the transmittance to visible light is secured have. In the case of using a nanocarbon dispersion solution having excellent dispersibility, that is, a nanocarbon dispersion solution having no macroscopically solidified material, the amount of the electrode used is inversely proportional to the transmittance. It is preferable that the visible light transmittance of the carbon nanotube electrode is adjusted at a wavelength of 550 nm Adjusting it to 10% or more will be enough.

기존 나노카본 전극기술에 따르면 전극의 사용량이 클수록 혹은 수 마이크로 이상의 두께에서 백금에 준하는 전기화학적 성능을 보이게 된다. 따라서 나노카본 소재의 사용량을 줄여 백금에 준하는 전자전달 효율을 구현할 수 있는 투과율은 나노카본 소재의 종류 혹은 탄소나노튜브의 형태에 의존하게 되는데, 소재의 사용량 혹은 두께는 투과율과 반비례 관계를 갖는다. 본 발명의 실시예에서 보여준 나노카본 소재는 다중벽 탄소나노튜브로 구조적 결함을 다량 함유한 경우로, 코팅 또는 전사된 전극이 균일하고 평평한 경우 투과율 10% 이상의 전극에서 후열처리 산화법에 의해 백금에 준하는 전자전달 성능을 보여준다. 10% 이하의 투과율을 갖는 전극은 소재의 사용량이 많고 투과율이 낮아 기존 탄소나노튜브 전극기술과 유사하다 할 수 있다. 10%이상의 투과율을 보이는 전극의 두께는 나노카본소재의 형태 및 종류에 의존하게 되는데, 실시예에서 사용된 10% 투과율을 갖는 전극의 두께는 대략적으로 0.5㎛ 수준에 이르게 된다. 따라서 다양한 종류의 나노카본 분산용액의 도포량은 투과율 측정으로 10 이상 90% 이하가 가능하다.According to the existing nano-carbon electrode technology, the electrochemical performance similar to that of platinum is exhibited when the amount of the electrode is increased or the thickness is several micrometers or more. Therefore, the transmittance that can reduce the amount of nano-carbon material and realize electron transfer efficiency similar to platinum depends on the type of nano-carbon material or the shape of carbon nanotubes. The amount of material used or thickness is inversely related to the transmittance. The nano-carbon material shown in the embodiment of the present invention is a multi-walled carbon nanotube containing a large amount of structural defects. In the case where the coated or transferred electrode is uniform and flat, the electrode having a transmittance of 10% Electron transfer performance. An electrode having a transmittance of 10% or less is similar to the existing carbon nanotube electrode technology because it uses a large amount of material and has a low transmittance. The thickness of the electrode having a transmittance of 10% or more depends on the type and the type of the nano-carbon material. The thickness of the electrode having the 10% transmittance used in the embodiment is approximately 0.5 탆. Therefore, the application amount of various kinds of nano-carbon dispersion solution can be from 10 to 90% by measurement of transmittance.

다음 제3단계로 산소 분위기 하에서 후열처리를 실시한다. 통상의 경우 약 100℃에서 건조시켜 용매만 휘발시키게 되나, 본 발명에서는 산소하에서 고온 열처리를 하게 된다. 이는 전극 표면의 산화처리를 위한 것이다. 즉, 고온 산화법에 의해 용매의 휘발은 물론 산소분위기하에서 실시하므로 산소가 탄소나노튜브 표면을 산화시키게 되며, 이러한 표면 산화처리는 전해질과 접하는 탄소나노튜브 막 표면의 친수성을 향상시켜 전해질 내의 이온과의 상호작용을 용이하게 한다. 이러한 산소 후열처리에 의한 온도는 통상 250 이상 550℃ 이하의 온도로 이루어지게 되며, 공급되는 산소원은 대기 중에서 실시하거나, 별도의 산소공급 또는 폴리카보네이트와 같은 고분자의 산화에 의해 제공되는 산소를 이용하는 등 어느 하나 또는 둘 이상 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 본 발명의 특징은 산소분위기 하에서 고온열처리를 통해 용매휘발과 동시에 생성되는 탄소나노튜브 막 표면의 산화에 의해 사용량이 적은 균일한 얇은 막으로도 백금에 준하는 전자전달 성능 달성에 목적을 두고 있다.Then, the third step is post-heat treatment in an oxygen atmosphere. In general, it is dried at about 100 ° C to volatilize only the solvent. In the present invention, however, a high-temperature heat treatment is performed under oxygen. This is for oxidation treatment of the electrode surface. That is, since the volatilization of the solvent is performed in an oxygen atmosphere as well as the volatilization of the solvent by the high-temperature oxidation method, oxygen oxidizes the surface of the carbon nanotube. This surface oxidation treatment improves the hydrophilicity of the surface of the carbon nanotube film in contact with the electrolyte, Facilitating interaction. The temperature by the heat treatment after the oxygen treatment is usually from 250 to 550 DEG C, and the oxygen source to be supplied may be carried out in the air or by using oxygen supplied by a separate oxygen supply or oxidation of a polymer such as polycarbonate Or a mixture of two or more of them may be used. A feature of the present invention is to achieve an electron transfer performance comparable to that of platinum even in the case of a uniform thin film having a small amount of consumption due to oxidation of the surface of the carbon nanotube film produced simultaneously with solvent volatilization through high temperature heat treatment in an oxygen atmosphere.

한편, 기출원된 특허중 후열처리과정을 거치는 종래특허(출원인: 한국전기연구원, 출원번호:10-2006-0088792호, 후열처리과정을 거친 탄소나노튜브 전극 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지)를 살펴보면, 후열처리 과정을 거치되, 산화법에 의한 표면처리가 아니며, 200 내지 230℃의 온도의 후열처리를 통해 탄소나노튜브 내에 존재하는 절연성 불순물을 탄화과정을 통해 제거하되 탄소나노튜브의 구조 및 화학적 특성을 유지함으로써 탄소나노튜브의 전기적 전도성도와 전해질과의 접촉면적을 향상시키기 위한 기술이나, 본 발명은 불순물의 제거보다는 전극 표면의 산화를 통한 친수성작용기의 도입으로 전해질과의 상호작용이 유리하도록 표면처리 하는 기술로 기존 기술과 차이가 있다. In the meantime, a conventional patent (Applicant: Korea Electrotechnology Research Institute, Application No.: 10-2006-0088792, post-annealed carbon nanotube electrode and dye-sensitized solar cell using the same) It is to be noted that the post-annealing process is not the surface treatment by the oxidation method but the insulating impurities existing in the carbon nanotubes are removed through the carbonization process by post-heat treatment at a temperature of 200 to 230 ° C., The present invention relates to a technique for improving the electrical conductivity of a carbon nanotube and the electrolyte by maintaining the characteristics of the surface of the carbon nanotube, It differs from existing technology in the processing technology.

그리고 이러한 산소분위기 하에서 이루어진 후열처리는 사용된 소재의 열분해 특성과 관련이 있다. 화학적으로 기능화된 나노카본 소재는 550℃ 이상의 온도에서 소재의 대부분이 산화되어 소멸되므로 이 이상의 온도는 피하는 것이 바람직하다. 또한 550℃ 보다 낮은 후열처리 온도에서는 상기 완전 산화가 일어나는 시간은 열역학적으로 다르고, 전극의 표면만 국부 산화가 일어나는 온도와 시간은 사용된 나노카본 소재의 특성 및 유입된 산소원의 종류에 크게 의존하므로, 적절한 후열처리 온도와 시간 설정이 필요하다. 본 발명의 실시예에서 보여준 다중벽 탄소나노튜브 소재는 대기 중 550℃에서 1시간 이상 열처리 할 경우 전극의 완전 산화가 일어나므로, 바람직하기로는 500℃에는 30분 내지 1시간의 열처리가 전기화학 성능을 향상시킬 수 있는 전극 표면의 국부 산화가 일어나게 하였다. The post heat treatment in this oxygen atmosphere is related to the pyrolysis characteristics of the material used. Chemically functionalized nano-carbon materials are preferred to avoid temperatures above 550 ° C because most of the material is oxidized and extinguished. At the post-annealing temperature lower than 550 ° C., the time for the complete oxidation is thermodynamically different, and the temperature and time at which the local oxidation only occurs on the surface of the electrode depend greatly on the characteristics of the nano-carbon material used and the type of oxygen source , Proper post-heat treatment temperature and time setting are required. Since the multi-wall carbon nanotube material shown in the embodiment of the present invention undergoes complete oxidation of the electrode when it is annealed at 550 ° C for at least 1 hour in the atmosphere, the annealing at 500 ° C for 30 minutes to 1 hour is preferably performed at an electrochemical performance The local oxidation of the surface of the electrode was made possible.

다음, 제4단계는 제 2후열처리하는 단계를 포함한다. 이 단계는 친수성이 향상된 탄소나노튜브 표면에 대기 중에 존재하는 물분자 흡착을 제거하기 위해서 이다. 즉, 대기 중에 존재하는 산소를 이용하여 후열처리를 하는 경우, 친수성이 향상된 만큼 대기 중 수분이 쉽게 전극 표면에 흡착될 수 있는데 이렇게 흡착된 물분자는 사용처에 따라 장애 요인이 될 수 있다. 즉, 유기용매 전해질을 사용하는 전기화학 응용소자에서는 흡착된 물분자가 전자전달의 장벽이 될 수 있으므로 이러한 물분자를 제거하기 위함이다. 이를 위해 대기 중 습도의 상태에 따라 진공오븐을 이용하여 20 내지 150℃의 온도로 1시간 내지 30시간 건조시켜 물분자를 완전히 제거토록 하는 것이다. 이때 진공건조 온도가 너무 높을 경우, 물분자 뿐만 아니라 제3단계의 후열처리 산화법에 의해 전극표면에 도입된 산소기반 친수성 작용기까지 제거될 수 있으므로 진공건조온도는 200℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 또한 진공건조 시간은 제3단계의 후열처리 산화 후 전극표면의 친수성 정도, 전극의 대기 중 노출 시간 및 노출된 공기의 습도, 진공건조 온도 등에 의존하는 바, 상세하게는 친수성이 큰 경우 제3단계 후열처리 후 냉각과정 및 보관과정에서 4시간미만으로 상대습도 60%의 대기에 노출된 경우, 45에서 12시간 진공건조가 바람직하다. Next, the fourth step includes a second post-heat treatment step. This step is to remove the water molecule adsorption on the surface of the carbon nanotubes with improved hydrophilicity. That is, when post-heat treatment is performed using oxygen present in the atmosphere, since the hydrophilicity is improved, atmospheric moisture can be easily adsorbed on the surface of the electrode. That is, in an electrochemical application device using an organic solvent electrolyte, adsorbed water molecules can be a barrier for electron transfer, so that water molecules are removed. For this purpose, it is dried in a vacuum oven at a temperature of 20 to 150 ° C for 1 hour to 30 hours according to the state of humidity in the air, thereby completely removing water molecules. At this time, if the vacuum drying temperature is too high, not only the water molecules but also the oxygen-based hydrophilic functional groups introduced into the electrode surface by the post-heat treatment oxidation method in the third step may be removed, so that the vacuum drying temperature is preferably not higher than 200 ° C. Further, the vacuum drying time depends on the degree of hydrophilicity of the electrode surface after the post-heat treatment oxidation in the third step, the exposure time in the atmosphere of the electrode, the humidity of the exposed air, and the vacuum drying temperature. Vacuum drying at 45 to 12 hours is preferred when exposed to air of 60% relative humidity for less than 4 hours in the cooling and storage processes after post heat treatment.

상기 과정을 마친 후, 제5단계는 전기화학 전극으로 사용하는 것으로 이는 종래 사용되는 탄소나노튜브 전극으로써 전해질을 포함한 염료감응 태양전지, 슈퍼 커패시티, 연료전지 중 어느 것이나 촉매전극으로 사용이 가능하다.After the above process, the fifth step is used as an electrochemical electrode, which is a conventionally used carbon nanotube electrode and can be used as a catalyst electrode in any of dye-sensitized solar cell including an electrolyte, super capacitor, and fuel cell .

이하 본 발명에 의한 구체적인 실시예를 적시하고, 이에 따른 다양한 실험결과를 설명하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예Example

제1단계 Step 1

탄소나노튜브의 분산성 향상을 위해 황산과 질산 3:1의 부피비로 제작된 용액 100ml에 시중에서 구입한 다중벽 탄소나노튜브분말 0.1g을 넣고, 얼음이 채워진 수조에서 1시간 동안 초음파 처리한다.To improve the dispersibility of carbon nanotubes, 0.1 g of commercially available multi-walled carbon nanotube powder is added to 100 ml of a solution prepared by mixing sulfuric acid and nitric acid in a volume ratio of 3: 1, and sonicated in an ice-filled water bath for 1 hour.

상기 초음파 처리된 탄소나노튜브용액에 물을 첨가하여 필터링하고 건조시키는 과정을 통해 카르복실기 기능화된 탄소나노튜브 분말을 획득한다.Water is added to the ultrasonic treated carbon nanotube solution, followed by filtering and drying, to obtain a carboxyl-functionalized carbon nanotube powder.

상기 기능화된 탄소나노튜브 분말 0.030g을 30ml 디엠에프(DMF) 용매에 넣어 초음파처리를 통해 분산시킨 후, 응집제를 제거를 위해 5,000rpm에서 10분간 원심분리를 실시하여 분산이 균일한 상등액만을 수거해 탄소나노튜브 분산액으로 사용한다. 이에 따라 상기 분산액으로 코팅하였을때 생길 수 있는 탄소나노튜브 표면의 거시적인 불균일성은 제거된다. 0.030 g of the functionalized carbon nanotube powder was dispersed in a 30 ml DMF solvent by ultrasonic treatment and centrifuged at 5,000 rpm for 10 minutes to remove the coagulant to collect only the supernatant with uniform dispersion It is used as carbon nanotube dispersion. Accordingly, the macroscopic non-uniformity of the surface of the carbon nanotube that can be formed when the dispersion is coated with the dispersion is eliminated.

제2단계Step 2

상기 준비된 탄소나노튜브 분산용액을 에프티오(F-dopped SnO2) 위에 스프레이 코팅을 통하여 반투명 탄소나노튜브 전극을 형성한다. 이때 얼룩없는 균일한 코팅을 위하여 전도성 기판의 온도를 115℃로 설정하였다. 상기 전극의 탑재량 혹은 투과율은 스프레이 분사시간을 변경하여 조정한다.The prepared carbon nanotube dispersion solution is spray-coated on F-doped SnO 2 to form a semi-transparent carbon nanotube electrode. At this time, the temperature of the conductive substrate was set at 115 ° C for uniform coating without stains. The loading amount or transmittance of the electrode is adjusted by changing the spraying time of the spray.

제3단계Step 3

상기 코팅된 전극을 산소분위기 하에서 후열처리를 실시한다. 이때, 비교 실험예를 위하여 종래와 같이 70℃ 오븐에서 건조한 것과, 300 내지 550℃ 온도로 1시간동안 대기 중에서 후열처리를 하여 비교 실험하였다.The coated electrode is post-heat treated in an oxygen atmosphere. At this time, for the comparative example, comparative experiments were conducted by drying in an oven at 70 ° C. and post-heat treatment at 300 to 550 ° C. for 1 hour in the conventional manner.

제4단계Step 4

상기 제3단계에서 산소분위기 하에서 후열처리된 전극표면은 친수성이 극적으로 증가된다. 따라서 이러한 친수성 향상은 대기중 수분이 전극표면에 흡착될 수 있는데 분자단위로 흡착된 물분자는 유기용매 기반 전해질을 사용하는 전기화학 응용소자에서는 전자전달의 장벽이 될 수 있으므로 처리된 대기의 습도에 따라 20 내지 150℃의 온도하에서 진공오븐에서 1시간 내지 30시간 진공건조하여 표면의 물분자를 완전히 제거되도록 한다.In the third step, the surface of the post-heat treated electrode under an oxygen atmosphere is dramatically increased in hydrophilicity. Therefore, this hydrophilicity enhancement can be adsorbed on the surface of the electrode. Water molecules adsorbed on the molecular basis can be a barrier for the electron transfer in the electrochemical application device using the organic solvent-based electrolyte. Therefore, Followed by vacuum drying in a vacuum oven at a temperature of 20 to 150 ° C for 1 hour to 30 hours to completely remove water molecules on the surface.

상기와 같이 표면 물분자를 완전히 없앤 상태에서 제3단계의 산소하에서 후열처리를 통해 형성된 표면 친수성 향상은 유기용매 기반 전해질에서 계면저항을 감소시킬 뿐 아니라 전자전달의 시간상수(특성피크의 역수에 해당)를 10배 이상 향상시킴을 알 수 있었다.As described above, the surface hydrophilicity enhancement formed through the post-heat treatment under the oxygen of the third stage in the state of completely removing the surface water molecules not only reduces the interfacial resistance in the organic solvent-based electrolyte but also decreases the time constant of electron transfer ) By 10 times or more.

제5단계Step 5

상기 완성된 탄소나노튜브 전극을 이용하여 염료감응 태양전지의 상대전극으로 사용하여 실험하였다.The completed carbon nanotube electrode was used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell.

이하에서는 상기의 과정을 통해 후열처리 산화범에 의한 탄소나노튜브가 부착된 전도성 기판을 염료감응 태양전지의 상대전극으로 이용하여 실험한 결과를 설명하도록 한다. Hereinafter, the results of the experiment using the conductive substrate with the carbon nanotubes by the post-heat treatment oxidation unit as the counter electrode of the dye-sensitized solar cell will be described.

도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 이용한 염료감응 태양전지의 특성값을 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 전류-전압 특성곡선을 나타낸 도이다. FIG. 5 is a graph showing a characteristic value of a dye-sensitized solar cell using an iodine-based (I - / I 3 - redox pair) electrolyte according to the present invention, and FIG. 6 is a graph showing a characteristic value of a carbon nanotube Voltage characteristic curve of a dye-sensitized solar cell using an electrode as a counter electrode.

도시된 바와 같이, 탄소나노튜브의 가시광 투과율은 25%(TR25%)로 제작된 것이고 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 적용한 경우를 나타낸다. 70℃로 건조한 경우와, 150℃로 건조한 비교적 저온건조의 경우 상대전극으로 특성이 좋지 않으며, 이는 도 5의 특성값에 나타나듯이 높은 탄소나노튜브/전해질 계면저항(RCE)에 기인한 것임을 알 수 있다. 이에 반하여 비교적 고온인 300와 500℃로 온도가 높은 산소하 후열처리의 경우 전기화학적 특성이 보다 향상됨을 알 수 있으며, 500℃의 경우 기존의 백금과 거의 유사한 전기화학적 특성을 나타냄을 알 수 있다.As shown in the figure, the visible light transmittance of carbon nanotubes is 25% (TR 25%) and is applied to a dye-sensitized solar cell using an iodine (I - / I 3 - redox pair) electrolyte. It was found that the characteristics as a counter electrode in case of drying at 70 ° C and relatively low temperature drying at 150 ° C are poor and this is due to the high carbon nanotube / electrolyte interface resistance (R CE ) as shown in the characteristic value of FIG. . On the contrary, the electrochemical characteristics were improved in the case of the oxygen heat treatment at 300 and 500 ° C, which is relatively high temperature, and the electrochemical characteristics are similar to those of the conventional platinum at 500 ° C.

도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 이용한 염료감응 태양전지의 임피던스 스펙트럼을 나타낸 도이다. 7 is a diagram showing an impedance spectrum of a dye-sensitized solar cell using an iodine-based (I - / I 3 - redox couple) electrolyte of a carbon nanotube electrode according to the present invention.

도시된 바와 같이, 탄소나노튜브의 가시광 투과율은 25%(TR25%)로 제작된 것이고 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 적용한 경우를 나타내고, 100 mW/cm2 광량하의 개방전압 상태에서 측정한 결과를 나타낸다. 500℃ 열처리 후 상대전극의 계면저항(RCE)는 58.2에서 3.2Ω㎠로 감소하는 것을 알 수 있으며 이는 백금과 유사한 수준을 나타내며 ZCE와 ZWE는 분리됨을 알 수 있다. 즉, 이는 후열처리를 통해 전자전달에 대한 저항과 전자전달 속도에 관한 특성이 향상됨을 알 수 있다.As shown in the figure, the visible light transmittance of the carbon nanotubes is 25% (TR 25%) and is applied to a dye-sensitized solar cell using an iodine (I - / I 3 - redox pair) lt; 2 > / cm < 2 > light amount. It can be seen that the interface resistance (R CE ) of the counter electrode after the heat treatment at 500 ° C. is reduced from 58.2 to 3.2Ω cm 2, which is similar to that of platinum, and Z CE and Z WE are separated. That is, it can be seen that the resistance to electron transfer and the characteristics of the electron transfer rate are improved by post-heat treatment.

도 8은 본 발명에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극의 (a)는 표면 주사현미경사진이고, (b)는 1시간 산처리된 MWNT 분말의 열분석 곡선을 나타낸 도이고, (c)는 물을 이용한 접촉각을 나타낸 도이고, (d)는 라만스펙트럼을 나타낸 도이다.FIG. 8 is a photograph of a carbon nanotube electrode manufactured by the present invention (a) is a surface scanning microscope photograph, (b) is a chart showing a thermal analysis curve of the MWNT powder treated for 1 hour, (D) is a diagram showing a Raman spectrum. Fig.

도시된 (a)의 사진에 나타나듯이, 70의 일반건조상태와 본 발명에 의한 산소하 500 고온 후열처리의 경우에도 외형상 탄소나노튜브의 전극 구조는 유지되고 있으며, 표면 모플로지에 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 (b)의 열분석 곡선에 나타나듯이 500℃까지는 무게 손실이 거의 없음을 알 수 있으며, 이는 탄소나노튜브 전극으로의 사용이 가능함을 알 수 있다. 그리고 (c)의 경우, 후열처리로 인해 접촉각이 매우 향상됨을 알 수 있으며, (d)의 그래프에서 알 수 있듯이 라만측정결과 구조결함의 증가에 의한 D/G비율의 증가를 알 수 있다.As shown in the photograph (a), the electrode structure of the outer carbon nanotube is maintained even in the general dry state of 70 and the heat treatment after the high temperature 500 under the present invention, and there is no change in the surface morphology . It can be seen that there is almost no weight loss up to 500 ° C as shown in the thermal analysis curve of (b), and it can be used as a carbon nanotube electrode. In (c), the contact angle is greatly improved due to the post-annealing. As can be seen from the graph of FIG. 4 (d), the increase in the D / G ratio due to the increase in the structural defects can be seen in the Raman measurement.

도 9는 본 발명에 따른 전극의 (a)는 가시광선에 대한 투과율 곡선을 나타낸 도이고, (b)는 본 발명에 따른 투과율(25%), 투과율(75%)의 후열처리 온도에 따른 태양전지 전류-전압 특성곡선을 나타낸 도이다. FIG. 9 is a graph showing a transmittance curve of visible light according to the present invention. FIG. 9 (b) is a graph showing the transmittance (25%) and transmittance (75% FIG. 6 is a graph showing a battery current-voltage characteristic curve.

도시된 바와 같이, 전도성기판으로 사용되는 에프티오 유리기판의 가시광선에 대한 투과율(100%)에 대하여 투과율(25%)와 투과율(75%)의 탄소나노튜브 전극을 사용하였다. 이 경우 투과율(25%)의 경우 0.35 두께를 가지며, 투과율(75%)의 경우 0.15㎛의 두께를 가지게 된다. (b)의 그래프에서 알 수 있듯이, 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 적용한 경우 투과율(75%)를 갖는 탄소나노튜브 전극에서 고온 후열처리를 통해 매우 향상된 태양전지 특성을 나타냄을 알 수 있다. As shown in the figure, a carbon nanotube electrode having a transmittance (25%) and a transmittance (75%) was used for the transmittance (100%) of visible light of an FTTHO glass substrate used as a conductive substrate. In this case, the transmittance (25%) has a thickness of 0.35 and the transmittance (75%) has a thickness of 0.15 μm. (b), when applied to a dye-sensitized solar cell using an iodine-based (I - / I 3 - redox pair) electrolyte, the carbon nanotube electrode having a transmittance of 75% It can be seen that the solar cell characteristics are remarkably improved.

다음, 도 10은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 코발트계(Co/(bpy)3)3 +/2+산화환원쌍) 전해질을 이용한 염료감응 태양전지의 특성값을 나타낸 도이고, 도 11는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전극을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 전류-전압 특성곡선을 나타낸 도이다. 10 is a graph showing a characteristic value of a dye-sensitized solar cell using a cobalt (Co / (bpy) 3 ) 3 + / 2 + redox pair) electrolyte according to the present invention, Is a graph showing a current-voltage characteristic curve of a dye-sensitized solar cell using a carbon nanotube electrode as a counter electrode according to the present invention.

도시된 바와 같이, 탄소나노튜브의 가시광 투과율은 25%(TR25%)로 제작되고 300℃ 후열처리된 전극은, 도6의 요오드계(I-/I3 -산화환원쌍) 전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 적용한 경우에 백금대비 낮은 효율을 보이던 반면에, 코발트전해질에서는 오히려 백금을 능가하는 특성을 보여줌을 알 수 있다. 이는 전해질의 산화환원쌍이 기존 요오드 분자보다 크기가 큰 경우(코발트계) 상대적으로 낮은 열처리만으로도 고성능 전기화학 실현이 가능함을 알 수 있다. As shown in the figure, the visible light transmittance of the carbon nanotube was 25% (TR 25%), and the electrode thermally treated after 300 ° C had a dye response using the iodine (I - / I 3 - redox pair) In the case of applying to the solar cell, the efficiency is lower than that of platinum, whereas the cobalt electrolyte shows a characteristic of being superior to platinum. It can be seen that high performance electrochemistry can be realized by relatively low heat treatment only when the redox couple of the electrolyte is larger than the existing iodine molecule (cobalt system).

이상의 실험 결과에 따르면, 산소하 고온 후열 열처리로 인해 탄소나노튜브 전극 표면의 친수성이 향상되어 전기화학적 특성이 향상됨을 알 수 있어, 탄소나노튜브 전극의 두께를 0.5㎛ 이하로 더욱 얇게 할 수 있으며, 이럴 경우 가시광선에 대한 투과성이 향상되어 반투명으로 투명전극으로의 사용이 가능하며, 코발트계 전해질을 이용한 염료감응 태양전지의 경우에는 후열처리 온도를 더욱 낮출 수 있음을 알 수 있으며, 이러한 특성값 향상으로 다양한 적용이 가능해짐을 알 수 있다. According to the above experimental results, the hydrophilicity of the surface of the carbon nanotube electrode is improved due to the heat treatment at a high temperature under the oxygen atmosphere. Thus, the thickness of the carbon nanotube electrode can be further reduced to 0.5 μm or less, In this case, the transmittance to visible light is improved, so that it can be used as a transparent electrode with translucency. In the case of a dye-sensitized solar cell using a cobalt-based electrolyte, the post-heat treatment temperature can be further lowered. It can be seen that various applications are possible.

Claims (7)

탄소나노튜브 분말과 분산제를 용매와 혼합하여 탄소나노튜브 분산용액을 만드는 제1 단계와;
상기 제1단계의 분산용액을 기판에 코팅 또는 전사하는 제2단계; 그리고
상기 2단계에서 준비된 시료를 산소분위기 하에서 250 이상 550℃이하의 온도로 후열처리하여 탄소나노튜브 표면을 산화시켜 친수성을 부여하는 제3단계;
상기 제 3단계를 거친 시료를 20 내지 150℃ 온도하에서 진공건조 시켜 수분을 제거하는 제2후열처리 단계:로 이루어지는 것을 특징으로 후열처리 산화법에 의한탄소나노튜브 전극 제조방법.
A first step of mixing a carbon nanotube powder and a dispersant with a solvent to prepare a carbon nanotube dispersion solution;
A second step of coating or transferring the dispersion solution of the first step onto a substrate; And
A third step of post-heat-treating the sample prepared in step 2 in an oxygen atmosphere at a temperature of 250 to 550 ° C. to oxidize the carbon nanotube surface to impart hydrophilicity;
And a second post-heat treatment step of vacuum-drying the sample after passing through the third step at a temperature of 20 to 150 ° C to remove moisture. The method for manufacturing a carbon nanotube electrode according to claim 1,
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 제 3단계의 후열처리 과정에서 필요로 하는 산소는 대기 중, 별도 산소가스 주입 또는 폴리카보네이트와 같은 고분자의 산화에 의한 것 중 어느 하나 또는 둘 이상의 산소공급 환경에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 후열처리 산화법에 의한 탄소나노튜브 전극 제조방법.The method according to claim 1, wherein the oxygen required in the post-heat treatment process in the third step is one or two or more oxygen supplying environments selected from among air, separate oxygen gas injection, or oxidation of a polymer such as polycarbonate A method for manufacturing a carbon nanotube electrode by post heat treatment oxidation. 제 3항에 있어서, 상기 기판위에 형성되는 탄소나노튜브막의 두께는 0.5㎛이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 후열처리 산화법에 의한 탄소나노튜브 전극 제조방법.4. The method according to claim 3, wherein the thickness of the carbon nanotube film formed on the substrate is 0.5 m or less. 전도성 기판과;
상기 전도성 기판 상면에 형성되고, 탄소나노튜브 분산용액을 코팅 또는 전사하고 산소분위기 하에서 250 이상 550℃ 이하의 온도로 후열처리하여 산소나노튜브 표면을 산화시켜 친수성을 부여시켜 형성된 탄소나노튜브 막;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 후열처리 산화법에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극,
A conductive substrate;
A carbon nanotube film formed on the conductive substrate and coated or transferred with a carbon nanotube dispersion solution and post-heated at a temperature of 250 to 550 ° C. in an oxygen atmosphere to oxidize the surface of the oxygen nanotube to impart hydrophilicity thereto; Carbon nanotube electrode produced by the post heat treatment oxidation method,
제 5항에 있어서, 후열처리 과정에서 필요로 하는 산소는 대기중, 별도 산소가스 주입 또는 폴리카보네이트와 같은 고분자의 산화에 의한 것 중 어느 하나 또는 둘 이상의 산소공급 환경에서 이루어지고, 탄소나노튜브막의 두께는 0.5㎛ 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 후열처리 산화법에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극.[6] The method of claim 5, wherein the oxygen required in the post heat treatment process is one or two or more oxygen supply environments in the atmosphere, by separate oxygen gas injection or by oxidation of a polymer such as polycarbonate, The carbon nanotube electrode produced by the post heat treatment oxidation method, wherein the thickness is 0.5 mu m or less. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 기판위에 형성된 산소분위기하의 후열처리된 탄소나노튜브 막은 20 내지 150℃ 온도하에서 진공 건조 시키는 제2후열처리됨을 특징으로 하는 후열처리 산화법에 의해 제조된 탄소나노튜브 전극. The carbon nanotube film according to claim 5 or 6, wherein the post-heat treated carbon nanotube film formed on the substrate is subjected to a second post heat treatment for vacuum drying at a temperature of 20 to 150 ° C. Tube electrode.
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