국민대학교 이현정교수와고려대학교 우한영교수 연구팀(2023.2.23)

[이재호]

고기능성 열전 에너지 소재의 화학구조와 전하 전달 특성 상관관계 밝혀 / 이현정(신소재공학부) 교수 연구팀

 국민대학교 ・ 2023. 2. 22. 14:28

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국민대학교(총장 임홍재) 신소재공학부 (전자화학재료 전공) 이현정 교수 연구팀이 고려대학교(총장 정진택) 화학과 우한영 교수 연구팀과 공동연구를 통해 차세대 에너지 물질로 주목받는 고기능성 열전 물질내 전하 전달 특성을 새롭게 규명하였으며, 이번 연구결과를 담은 논문은 세계적 나노재료분야 SCI급 저명 국제학술지인 ‘스몰 메소드(Small Methods) 2월호에 게재 확정되었으며, 연구 결과의 중요성을 인정받아 전면표지논문(Front cover picture)으로 선정됐다.

고기능성 열전 소재인 유기 전자재료 소재는 폐열을 전기로 바꿀 수 있고, 무기물에 비해 유연하고, 공정이 쉽다는 점에서 차세대 에너지 물질로 주목받고 있다. 하지만, 무기물에 비해 열전 성능이 떨어진다는 한계점이 있다. 또한, 유기 열전 물질을 도핑(반도체 물질에 불순물을 첨가함으로써 전하 밀도 등의 전기적 성질을 조절하는 것을 말함.)하는 주된 방법인 화학적 도핑 방법에서 정밀한 도핑 레벨 조절에서의 어려움, 상 분리 등의 한계점이 있다. 이러한 한계점을 극복하고 높은 수준의 열전 성능을 지니기 위한 연구가 요구되고 있다.

연구팀은 다른 측쇄 그룹 구조를 가지는 유기 반도체 물질을 합성한 뒤, 이온성 액체(양이온과 음이온으로 구성된 액체상의 염으로 녹는점이 낮아 상온에서 액체 상태로 존재함.)를 사용한 유기 전기화학 트랜지스터(Organic Electrochemical Transistor (OECT), 전압 조건에 따라 이온의 이동이 발생하고, 전기적 중성을 유지하기 위한 고분자에서 일어나는 산화·환원 반응을 통해 도핑하는 트랜지스터 시스템.)시스템을 통한 전기화학적 도핑을 구현하여 유기 반도체 고분자의 도핑 레벨을 광범위하게 조절하였다. 그와 동시에 전하 발생, 열전, 구조적, 국부적인 상태 밀도를 측정함으로써 도핑 레벨에 따른 열전 특성 간의 상관관계를 분석하였다. 이를 바탕으로 유기 반도체 고분자에서 측쇄 엔지니어링에 따른 화학 구조적 특성을 바탕으로 고분자 측쇄가 열전 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

공동연구팀은 “이 연구를 통해, 높은 레벨로 도핑된 유기 열전 물질의 전하 전달 특성을 관찰할 수 있는 분석 시스템을 제안했고, 유기 열전 물질 분자 구조 디자인의 방향성을 제시하여 고효율 열전 소자의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

본 연구의 논문명은 “Unravelling disorder effects on thermoelectric properties of semicrystalline polymers in a wide range of doping levels” 이며, 국민대 이현정교수와 고려대 우한영교수가 교신저자로, 최우진, 김수현, 이순용 대학원생이 제 1저자로 참여하였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업과 기초연구실 집단연구사업의 지원을 통해 수행되었다.

제 1저자 순서대로 (최우진, 김수현, 이순용 대학원생)

(그림1) 유기 전기화학 트랜지스터 (OECT)의 모식도와 전기화학적 도핑의 매커니즘

반결정성 고분자를 사용한 유기 전기화학 트랜지스터를 통해 전기화학적 도핑 레벨을 조절함에 따른 전기적, 열전 특성을 분석하는 시스템이다. 오른쪽 그림은 게이트 전압 조건에 따라 전기화학적 도핑이 작동하는 원리를 보여주는 그림이다.

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[출처] 고기능성 열전 에너지 소재의 화학구조와 전하 전달 특성 상관관계 밝혀 / 이현정(신소재공학부) 교수 연구팀|작성자 국민대학교