유기금속분자에서 높은 지벡(Seebeck)값 확인
양자역학적 영역에서의 열전 메커니즘 이해. 초미세 열전소자 개발 가능성 확인

윤효재 교수팀 연구결과, 나노과학분야 권위학술지 Nano Letters 게재돼

▲ 박소현 박사 (제1저자, 왼쪽), 윤효재 교수 (교신 저자, 오른쪽)

이과대학 화학과 윤효재 교수팀은 유기금속분자를 이용하여 양자역학적 영역에서 높은 지벡(Seebeck)값을 달성할 수 있음을 발견했다.

연구결과는 미국화학회에서 출간하는 나노과학분야 권위 학술지인 나노 레터스(Nano Letters)에 11월 28일자 온라인 게재됐다.
- 박소현 (고려대학교, 제1저자), 장지웅 (고려대학교, 공저자), Yuya Tanaka (동경공업대학, 공동교신저자), 윤효재 (고려대학교, 교신저자) 총 4명
- 논문명: High Seebeck Coefficient Achieved by Multinuclear Organometallic Molecular Junctions
- 논문게재지: Nano Letters (2022년 11월 28일 online published; https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03974)

열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 “열전 현상”은 신재생 에너지원 확보에 쓰일 수 있다. 열 에너지는 일상 생활은 물론 우주에도 존재한다는 점에서 그 사용범위가 광범위하다. 오늘날 나노기술이 발전하면서 전자기기 및 소재들이 극소형화 되어가고 있으며 이들에서부터 발생하는 열 에너지를 제어하거나 활용하는 방안이 고려되고 있다. 이러한 이유로 최근 들어 나노크기의 물질에 대한 열전 현상을 이해하는 연구가 많은 관심을 받고 있다.

윤효재 교수팀은 1 nm 두께의 단분자 박막에서의 일어나는 열전 현상을 연구하고 있다. 지난 2년여간의 연구를 통해 순수한 유기분자들로는 높은 지벡값을 확보할 수 있다는 한계를 깨달았다. 이번 연구에서는 유기분자에 금속 원자를 도입하여 유기금속분자를 합성하면 높은 지벡값을 유도할 수 있음을 밝혔다. 루테늄 원자를 알카인(alkyne) 리간드에 결합시키고 이 단위 구조체가 선형구조로 반복되도록 분자를 합성하면 높은 지벡값이 구현됨을 밝혔다. 단분자 박막에 대한 전자구조를 분광학 및 양자화학적 계산을 통해 분석했고 그 결과 유기금속분자의 highest occupied molecular orbital (HOMO)가 페르미 준위에 가깝게 위치하기 때문에 높은 지벡값을 보임을 밝혔다. 단분자박막이 열에 취약하지 않아야만 열전소자로서의 응용에 적용가능하기에 연구진은 루테늄 알카인 기반의 단분자 박막이 우수한 열적 안정성 연구를 보임도 밝혔다.

이번 연구는 일본 동경공업대학(Tokyo Institute of Technology)의 Yuya Tanaka 교수와 공동으로 진행했으며, 한국연구재단(차세대지능형반도체기술개발사업, 개인기초연구사업, 중점연구소지원사업)의 지원을 받아 수행됐다. 

▲ 유기금속분자로 이루어진 열전소자의 개략적인 구조 및 지벡값 경향 그래프.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)