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'세계 최초로 밝혀낸 그래핀의 마술'... 절연 분자 이용, 열에너지 전기로 변환할 수 있는 신소재 개발 가능
'세계 최초로 밝혀낸 그래핀의 마술'... 절연 분자 이용, 열에너지 전기로 변환할 수 있는 신소재 개발 가능
  • 문상현 기자
  • 승인 2021.09.03 12:23
  • 댓글 0
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윤효재 고려대 교수-서울대 홍병희 교수 공동연구팀, 그래핀 전극 이용해 절연 포화탄화수소 박막의 열전 성능 향상
왼쪽부터)서울대 홍병희 교수,고려대 윤효재 교수
왼쪽부터)서울대 홍병희 교수,고려대 윤효재 교수

고려대학교(총장 정진택) 이과대학 화학과 윤효재 교수팀은 서울대 화학부 홍병희 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전기가 통하지 않는 절연 분자의 ‘열전’ 성능이 그래핀 전극을 사용함으로써 가능함을 밝혔다. 

열 에너지는 어디에든 존재한다. 태양에서 상당한 열 에너지가 지구로 전달되며, 낮과 밤, 계절의 변화를 통해 열과 온도차가 발생한다. 사람의 각종 활동들로 인해서도 열이 발생한다. 현대 사회에서 인간이 사용하는 각종 운송 수단, 설비 및 전자 기기들에서도 불가피하게 열이 발생한다. 

일상에서 발생하는 열 에너지를 전기로 바꿀 수 있다면 친환경 에너지원이 될 수 있다. 특히 열에너지를 전기로 바꿀 수 있는 ‘열전’ 소재의 개발은 탈탄소 사회 구현은 물론 4차 산업 IoT 전자기기의 에너지원 확보에도 중요하다.

(A) 그래핀(single-layer graphene, SLG) 전극의 분자 구조. (B) 단분자 박막(self-assembled monolayer, SAM)을 생성하는데 사용한 포화탄화수소 아민 분자들. (C) 본 연구에서 제벡계수(Seebeck coefficient)를 측정하기 위해 제작한 열전 분자전자 소자 구조. (D) 금 전극 대비 그래핀 전극을 사용 시 포화 탄화수소 분자의 열전 성능 향상을 보여주는 제벡계수 데이터.
(A) 그래핀(single-layer graphene, SLG) 전극의 분자 구조. (B) 단분자 박막(self-assembled monolayer, SAM)을 생성하는데 사용한 포화탄화수소 아민 분자들. (C) 본 연구에서 제벡계수(Seebeck coefficient)를 측정하기 위해 제작한 열전 분자전자 소자 구조. (D) 금 전극 대비 그래핀 전극을 사용 시 포화 탄화수소 분자의 열전 성능 향상을 보여주는 제벡계수 데이터.

유기 소재를 열전 소자 개발에 활용함으로써 무기 소재가 가지는 단점들을 극복하는 노력이 있다. 이러한 유기 열전 연구들은 거의 대부분 불포화 유기분자에 의존한다. 이는 포화 분자와 달리 불포화 분자에서는 전자가 상대적으로 쉽게 이동할 수 있기 때문이다. 

이러한 이유로 과학자들은 절연체 성격을 띄는 포화 분자를 열전 소재 개발에 사용하지 않는다. 그 결과 포화 분자에서는 어떠한 열전 현상이 일어나는지, 그 성능은 어느 정도인지, 작동 메커니즘은 어떤지조차 이해하지 못하고 있는 상황이다.

윤효재 고려대 교수팀은 포화 탄화수소의 열전 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 지난 몇 년간 연구하고 있다. 포화 탄화수소의 제벡계수(Seebeck coefficient)를 측정할 수 있는 액체금속 기반 측정법을 3년 전 개발했다. 올해 초에는 포화 탄화수소에 산소원자를 일정한 간격으로 위치시키면 초교환 결합(superexchange coupling) 메커니즘을 통해 제벡계수를 향상시킬 수 있음을 세계 최초로 밝혔다. 

이번 연구에서, 윤효재 교수 연구팀은 서울대 화학부 홍병희 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 포화 탄화수소 분자 박막(self-assembled monolayer, SAM)을 그래핀(single-layer graphene, SLG) 전극 위에 제작하면 큰 제벡계수 향상을 유도할 수 있음을 세계 최초로 밝혔다. 포화 탄화수소 분자의 말단에 아민(amine, H2NCn) 고정기(anchor)를 도입하여 그래핀 전극의 분자구조를 손상시키지 않는 방법으로 고밀도의 단분자 박막을 제작했다. 

그 결과 아민 고정기와 그래핀 전극 간의 도핑 효과에 의해 계면의 전자구조가 재배열됨을 밝혔다. 그래핀 전극에서의 제벡계수는 기존 단분자 박막 연구에서 널리 쓰이는 금 전극 대비 열전 성능이 월등히 향상됨을 밝혔다. 이러한 연구 결과를 통해 포화 탄화수소 분자구조를 활용한 열전 소자 개발의 가능성을 높였다. 

한편, 박소현 (고려대학교, 제1저자), 김화랑 (서울대학교, 공동 제1저자), 김주희 (서울대학교, 공저자), 홍병희 (서울대학교, 공동교신저자), 윤효재 (고려대학교, 교신저자) 총 5명의 연구진의 이번 연구 결과는 신소재 분야의 세계적 권위 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'지에 '단일층 그래핀 전극의 비공유 앵커에 의한 포화 분자의 열에너지 향상(Enhanced Thermopower of Saturated Molecules byNoncovalent Anchor-Induced Electron Doping of Single Layer Graphene Electrode)'이란 제목으로 지난달 27일 게재됐다.


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