실제 산업현장에서 발생하는 높은 열에도 견딜 수 있는 분자열전소자 기술 개발 
카벤(Carbene) 작용기를 이용해 분자-전극 계면의 열적 안정성을 획기적으로 개선

윤효재 교수팀 연구결과, 나노과학 분야 권위지 Nano Letters 실려
 

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


 

이과대학 화학과 윤효재 교수팀이 실제 산업현장에서 발생하는 폐열 조건에서 잘 견디며 일정한 제벡 효과(Seebeck effect)를 선보이는 분자 기반의 열전소자 제작 기술을 세계 최초로 확보했다. 

열 에너지는 어디에든 존재한다. 특히 산업 공정에서 폐열들이 불가피하게 발생한다. 이 폐열을 전기로 바꿀 수 있다면 친환경 에너지원이 될 수 있다. 유럽연합(EU)의 한 보고서에 따르면 산업공정에서 발생하는 90%의 폐열이 섭씨 300도(절대온도 573K) 이내라는 결과가 보고됐다. 따라서 유기 재료를 이용한 열전소자 개발에 있어서 섭씨 300도 이내의 온도 범위에서 손상 없이 일정한 제벡 효과를 보이는 것은 실제 응용을 위해 필수적이다.

많은 유기 소재들은 열에 의해 쉽게 손상되어 구조 변화가 일어난다. 특히 열전소자 제작 시 전극과의 접촉을 이루는 계면에서 열적 안정성이 보장되지 못하는 경우가 많다. 1~2nm 두께의 단분자박막을 이용한 분자열전소자에서는 이러한 문제가 더욱 두드러진다. 단분자 박막을 전극 위에 제작할 경우 분자를 고정시키기 위하여 화학 결합을 형성시킨다. 이때 가장 널리 쓰이는 작용기는 티올(thiol)이다. 그러나 티올은 열에 취약하여 쉽게 산화되거나 전극으로부터 분자 탈착을 일으킨다. 이러한 이유 때문에 분자열전소자에서 고재현성 및 고신뢰성의 제벡 효과를 확보하기가 어렵다. 실제로 현재까지 알려진 분자열전소자 연구들은 낮은 온도 범위에서만 제한적으로 연구됐다. 분자 열전소자 연구에서 시도된 제일 높은 온도는 약 섭씨 50도 정도 밖에 되지 못하며 이는 실제 응용을 위한 300도와 비교하면 턱없이 낮다.

본교 이과대학 화학과 윤효재 교수 연구팀은 티올 작용기 대신 금속과 단단한 결합을 형성하는 카벤(carbene) 작용기를 이용하여 분자-전극 계면에서의 열적 불안정성을 획기적으로 해결했다. 카벤 작용기는 유기금속화학에서 금속과 강한 결합을 형성하는데 널리 쓰이는 리간드 분자이다. 전통적인 티올 작용기 대비 카벤 작용기의 열적 안정성을 테스트하기 위하여 같은 분자 뼈대를 가지는 티올, 카벤 분자를 각각 확보했다. 그리고 이 분자들로 이루어진 단분자박막을 제작하여 열전 성능을 비교했다(그림 1). 그 결과 티올 작용기를 사용할 경우 섭씨 50~60도 정도까지만 제벡 효과가 구현됐고 그 이상의 높은 온도에서는 티올 작용기의 열적 손상으로 열전소자가 손상되고 제벡 효과가 사라짐을 확인했다. 반면 카벤 작용기를 이용하면 섭씨 300도의 높은 온도에서도 일정한 제벡 효과가 구현됨을 확인했다(그림 1). 이번 연구 결과를 통해 높은 온도에서도 잘 견디고 제벡 효과를 구현할 수 있는 유기분자 기반의 나노스케일 열전소자 제작이 가능하게 됐다. 더 나아가 분자와 전극 간 계면의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있다는 점에서 전반적인 유기 열전소자 연구에도 큰 파급력을 끼칠 수 있는 연구결과라 할 수 있다. 

한국연구재단(개인기초연구사업, 차세대지능형반도체기술개발사업, 중점연구소지원사업)의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 나노과학 분야의 권위 학술지인 나노 레터스 (Nano Letters; https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00422)에 5월 16일자 온라인 게재됐다.
- 박소현 (고려대학교, 제1저자), 강서현 (고려대학교, 공저자), 윤효재 (고려대학교, 교신저자) 총 3명
- 논문명: Thermopower of molecular junction in harsh thermal environments
- 논문게재지: Nano Letters (2022년 5월 16일 online published: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00422)



[ 그 림 설 명 ]

▲ 액체금속전극(eutectic Ga-In alloy; EGaIn)을 이용하여 제작된 단분자박막(self-assembled monolayer, SAM) 열전소자의 도식도. 분자 열전소자에 널리 사용되는 티올(Thiol) 대신 질소헤테로고리 카벤(NHC) 작용기를 고정기(anchor)로 사용하였을 때의 열전 성능 비교. 카벤 작용기를 사용함으로써 열적 안정성이 향상되어 섭씨 300도(절대온도 573 K)에도 견딜 수 있다.