윤효재 교수팀 ,새로운 분자단위 열전 측정 시스템 구축 연구 나노레터스 게재
세계 최초 대면적 junction 기반의 분자 단위 열전 측정 시스템

▲ 윤효재 교수(왼쪽)와 박소현(오른쪽) 제1저자

 
이과대학 화학과 윤효재 교수 연구팀은 액체금속 EGaIn (Eutectic Gallium-Indium)을 이용하여 새로운 분자단위 열전 측정 시스템을 구축해, 단분자층(self-assembled monolayer, SAM)의 열전 성능을 보여주는 Seebeck coefficient를 고

수율로 손쉽게 측정할 수 있는 길을 열었다.

한국연구재단 지원(나노소재기술 개발사업, 도전형소재기술 개발프로그램)을 받아 수행된 이번 연구는 재료/나노 분야 최고 권위의 학술지중 하나인 나노레터스 (Nano Letters, impact factor : 12.712) 11월 13일자에 게재됐다.
※ 논문명 : A New Approach for Large-Area Thermoelectric Junctions with Liquid Eutectic Gallium-Indium Electrode
※ 저자 정보 : 박소현 (고려대학교, 제1저자), 윤효재 (고려대학교, 교신저자) 총 2명

이 연구결과는 열전 및 분자전자학 분야에서 새로운 대면적 (~μm2) 기반의 분자 단위 열전시스템 구축을 처음 제시하여, 새로운 연구 분야를 개척한 논문으로 평가받는다.

연구팀은 갈륨-인듐 합금의 액체금속과 단분자층의 접합이 상온에서 제작 가능하며 극도로 얇은 단분자층(SAM) 표면에 손상을 주지 않는다는 사실을 이용하여 유기분자 단분자층의 Seebeck coefficient를 손쉽게 측정할 수 있음을 보였다. 단분자 혹은 단분자층에서의 열전 현상을 연구하는 것은 매우 도전적인 연구주제이다. 특히, 분자를 손상시키지 않고 열전 소자를 제작하고 열전 특성을 분석하는 것은 기술적으로 매우 어렵다. 기존의 기술들은 고가의 STM (Scanning Tunneling Microscope) 및 AFM (Atomic Force MIcroscope) 장비에 의존한 단분자 정션에 기반을 두거나, 레이저를 사용해야 한다. 본 연구에서는 이러한 장비들을 쓰지 않으면서 분자 수준에서 대면적 열전 측정이 가능한 분석법을 세계 최초로 제시하였다. 본 기술은 단분자층의 손상을 최소화 하면서 높은 신뢰성으로 많은 데이터들을 짧은 시간 안에 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 기술을 통하여 다양한 분자 구조들에 대한 대면적 열전 측정이 가능하며 이를 통해 향후 원자 단위의 구조-열전 연관성에 대한 기초연구는 물론, 고효율의 유기 열전 소재 개발에도 큰 파급효과를 줄 것으로 기대된다.

[용 어 설 명]
1. Thermoelectric Effect
◯ Thermoelec Effect(열전 효과)는 주변 환경의 온도 차를 통해 전기 에너지를 생성가능하게 해주는 핵심 메커니즘이다. 이는 열에너지를 재활용할 수 있다는 점에서 환경적으로나 과학적으로나 매우 흥미로운 연구 주제이다. 열전소자는 반도체, 자동차, 우주, 항공, 바이오, 광학, 컴퓨터, 발전, 가전제품 등 산업 전반에서 광범위하게 활용될 수 있다.

2. EGaIn (Eutectic Gallium-Indium)
◯ EGaIn은 무게 비로 75% Ga과 25% In로 이루어져 있고 녹는점이 약 15 ℃이기 때문에 상온에서 액체로 존재하고 공기 중에 노출되면 1 nm 산화 갈륨(Ga2O3) 박막을 표면에 형성한다. 이는 아래 [그림1]과 같이 원뿔 모양으로 형성할 수 있으며 대면적 junction을 형성한다. 이는 액체 금속이기 때문에 측정하고자 하는 SAM의 손상이 적고, 작동 수율이 높고, 많은 데이터를 손쉽게 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다.

3. SAM (Self-Assembled Monolayer)
◯ 기본 단위의 분자들이 ‘스스로 조립’하여 금속 표면 위에 분자들이 한 층으로 자기조립한 단분자 박막을 의미한다.

4. Seebeck Coefficient
◯ 열 에너지가 전기 에너지로 전환되는 효율을 Seebeck coefficient (S)로 나타낸다. S=-ΔV/ΔT로 간단히 나타낼 수 있으며 같은 온도 차로 많은 전압을 생성시키는 경우 이 절대값이 커진다.
 
[ 그 림 설 명 ]

 
[그림1] 분자 접합구조 개략도 및 large area junction의 자세한 구조 (AuTS/S(Ph)n//Ga2O3/EGaIn, 여기서 “//”는 반데르발스 계면을 의미, AuTS는 template-stripping 방법으로 제작된 금으로 매우 평평한 장점이 있다.)

[그림2] (a) Thermoelectric data 예시 (trace-to-trace, junction-to-junction, electrode-to-electrode 그리고 sample-to-sample variations) (b) S(Ph)3 SAM 온도차에 따른ΔV histogram들 (c) S(Ph)n SAM (n=1,2,3)의 ΔT에 따른 ΔVmean plot (d) S(Ph)n의 길이(n)에 따른SSAM plot

기사작성 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)

사진촬영 : 커뮤니케이션팀 김나윤(nayoonkim@korea.ac.kr)