윤효재 교수팀, 단분자층에서의 열-전기 에너지 전환 연구 발표

분자 수준에서 파워팩터-구조 연관성 규명

화학중심의 융합연구 권위 학술지인 ACS 논문 게재

▲ 왼쪽부터 윤효재 교수, 박소현 학생, 강서현 학생

이과대학 화학과 윤효재 교수 연구팀은 단분자로 이루어진 박막의 열전 특성을 연구하여 분자 수준에서의 극도로 얇은 박막에서의 열-전기 에너지의 전환 연구가 가능함을 보고했다.

한국연구재단 지원(개인기초연구사업 및 중점연구소지원사업)을 받아 수행한 이번 연구는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 화학중심의 융합연구 권위 학술지인 ACS Central Science (Impact factor : 12.837)지에 12월 5일자로 게재됐다.

* 논문명 : Power Factor of One Molecule Thick Films and Length Dependence

* 저널링크 : https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.9b01042

* 저자 정보 : 박소현 (고려대학교, 제1저자), 강서현 (고려대학교, 공동 제1저자), 윤효재 (고려대학교, 교신저자) 총 3명

이번 연구결과는 2018년 세계 최초로 보고된 새로운 대면적 (~μm2) 기반의 분자 단위 열전시스템 구축을 처음 제시한 연구(Nano Letters, 2018; 제목: A New Approach for Large-Area Thermoelectric Junctions with Liquid Eutectic Gallium-Indium Electrode) 를 바탕으로 이루어졌으며, 분자 수준에서 파워 팩터(power factor)를 이용한 구조-물성 연관성 연구가 가능함을 제시하여 열전 연구에 새로운 패러다임을 제시해준 논문으로 평가받는다.

연구팀은 갈륨-인듐 합금의 액체금속을 이용하여 극도로 얇은 단분자층 표면에 손상을 주지 않으면서 지벡값(Seebeck coefficient)와 전기전도도를 측정 가능하다는 사실을 이용하여 열전연구에서 널리 사용되는 파워팩터(power factor) 값을 단분자 수준에서 측정했다. 단분자 혹은 단분자층에서의 전하 이동 현상을 연구하는 것은 그 자체로도 매우 도전적이며 흥미로운 기초연구주제이다. 기존에 연구되는 유기 열전 소자들은 유기층의 구조가 복잡하고 다양한 계면이 존재하여 분자 수준의 열전특성을 면밀히 이해하기가 어렵다는 문제가 있었다. 

연구진은 이번 연구를 통해 이러한 복잡성을 최소화하여 구조-파워팩터 연관성을 이해하고, 나아가 파워팩터 실험에 적용가능한 새로운 이론 모델을 제시했다. 다양한 분자 구조들에 대한 연구가 향후 가능하다는 점에서 향후 유기 열전 소자의 설계는 물론 유기물에서의 전하 이동에 대한 기초연구에도 큰 파급효과를 줄 것으로 기대된다.

[ 그 림 설 명 ]

[그림1] 대면적 분자 정션(junction) 구조 개략도 및 oligophenylene과 oligothiophene을 포함한 다양한 유기 단분자층의 파워팩터(power factor) 시뮬레이션 연구에 대한 개략적인 설명.

[용 어 설 명]

1. 열전 효과

◯ 열전 효과는 주변 환경의 온도 차를 통해 전기 에너지를 생성가능하게 해주는 핵심 메커니즘이다. 이는 열에너지를 재활용할 수 있다는 점에서 환경적으로나 과학적으로나 매우 흥미로운 연구 주제이다. 

2. 지벡값 (Seebeck Coefficient)

◯ 열 에너지가 전기 에너지로 전환되는 효율을 Seebeck coefficient로 나타낸다. 같은 온도 차로 많은 전압을 생성시키는 경우 이 지벡값이 커진다. 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)