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스스로 조립하는 태양전지 개발

물과 기름의 섞이지 않는 원리 이용


부품들이 스스로 조립되는 자기조립(self-assembly)법이 개발됐다. 우선 태양전지 셀 개발에 활용됐으며 장차 다른 전자 장치에도 활용할 계획이다.

18일 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 온라인판은 미국 미네소타 대학의 하이코 제이콥스(Heiko Jacobs) 교수팀이 자기조립 태양전지셀을 개발했다고 보도했다. 이 기술은 간단할 뿐 아니라 가격도 싸기 때문에 상용화될 경우 조립 분야에 큰 변화가 있을 것으로 예상했다.



자기 조립 태양전지 못만든 것은 바로 부품 탓


그동안 과학자들은 자기조립 태양전지를 만들려 했지만 부품의 문제로 인해 실패했다. 보통 10억 분의 1m의 나노 단위가 되면 화학적인 과정을 통해서 부품 조립이 가능하다. 나노세계에서는 부품이 되는 원자나 분자들을 인위적으로 조작하지 않아도 서로 반응해 스스로 구조물을 만들기 때문이다. 염기쌍들이 스스로 DNA 이중나선을 구성하는 것과 유사하다.

이에 비해 부품의 크기가 어느 수준 이상으로 크다면 중력을 이용해 자기조립을 할 수 있다.

그런데 부품이 너무 크지도 너무 작지도 않을 때가 가장 문제다. 100만분의 1m의 마이크로미터 단위는 상황이 다르다. 이 경우는 중력이나 화학적 방법 어느 것도 적용하기 힘들다. 중력으로 하기엔 너무 가볍고 나노과학으로 하기엔 너무 크다.





물과 기름이 섞이지 않는 원리 활용

이 문제를 해결하기 위해 미국 미네소타 대학의 하이코 제이콥스(Heiko Jacobs) 교수팀은 일종의 컨베이어 벨트를 고안했다.

연구팀은 기름과 물이 들어있는 통에 태양전지 셀의 부품들을 담았다. 그리고 부품은 한쪽은 금으로 다른 한쪽은 은으로 만들었다. 이때 은으로 된 면에는 물을 싫어하는 물질을 발랐다. 반면 금으로 된 면에는 친수성 물질을 칠했다.

이 때문에 태양전지 셀의 부품은 금이 있는 면이 항상 물 쪽으로, 은이 있는 면이 기름 쪽을 향했다. 그러면서 여러 개의 부품들은 알아서 물과 기름의 경계면에 스스로 줄을 지어 정렬했다.




3분 만에 6만4천개 부품 조립

 
이렇게 2차원 평면으로 정렬된 태양전지 셀 부품들은 한쪽 끝을 컨베이어 벨트가 돌아가듯이 한 방향으로 끌어올린다. 한쪽 끝에 있는 태양전지 기판에 가서 달라붙도록 한 것이다. 연구팀은 이 기술로 단 3분만에 부품 6만4천개로 구성된 장치를 만들 수 있었다.

이 기술은 현재 관련 연구자들에게 비상한 관심을 끌고 있다. 미 워싱턴 대학의 나노공학자 바박 파비즈(Babak Parviz) 교수는 BBC와의 인터뷰에서 “이 방법이 가장 어려운 문제를 해결해줄 것”이라고 했다. 인간의 머리카락 보다 가는 부품 수천 개를 어떻게 잘 정렬할 것인가 하는 것이다. 게다가 이 기술은 부품이 부드럽건 딱딱하건 플라스틱이건 금속이건 상관없이 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

한편 연구팀은 이 방법으로 얼마나 작고 큰 부품들까지 적용할 수 있을지를 조사 중이라고 한다.

 

 

 



박미용 동아사이언스 객원기자 pmiyong@gmail.com



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