[논문]유-무기 복합 열전소재 합성 및 특성

김지원; 임재홍

유-무기 복합 열전소재 합성 및 특성 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.20 no.2, 2017년, pp.18 - 24

김지원 (재료연구소) , 임재홍 (재료연구소)

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문제 정의

^6,7) 또한 유-무기 복합 열전소재는 유연성이나 투명성 등 기능적인 면과 더불어, 소재원료의 가격으로 인한 저비용, 공정의 간소화 등 많은 장점이 있기 때문에 열전소재의 광범위한 응용을 가능하게 하는 장점이 있다. 본 논문에서는 나노구조체를 가지는 유-무기 복합 열전소재 합성을 통한 열전특성 향상에 대한 결과를 중심으로 이와 관련된 최신 연구 및 기술 동향에 대해 기술하고자 한다.
본 논문에서는 유-무기 열전복합소재의 종류와 합성 방법 및 이를 통한 열전 특성 향상 방법에 대해 고찰해 보았다. 유-무기 복합체의 열전특성을 극대화 시키기 위해서는 나노엔지니어링을 통한 무기물질의 나노구조화와유기물질의 구조와 도핑 레벨을 조절하여 열전특성을 향상시킬 수 있다.

제안 방법

See et al. 은 PEDOT:PSS가 존재하는 수용액 내부에서 p-형 Te 나노로드(nanorod)를 수용액 방법을 통해 합성하여 PEDOT:PSS가 코팅된 형태의 Te/PEDOT:PSS 박막형 복합체를 합성 하였다. 그 결과 Te/PEDOT:PSS 복합체는 단일상의 Te 나노로드와 PEDOT:PSS의 ZT 와 비교하여 약 103 배 향상된 ZT 값인 0.
Ju et al. 은 볼-밀링 방법으로 SnSe을 파우더 형태로 성형한 후, 리튬(Li) 삽입 방법(Li-intercalation process)를 통해 합성한 SnSe 나노시트(nanosheet)와 PEDOT:PSS 복합체를 합성하였다. 흥미로운점은 복합체의 열전도도는 SnSe 나노시트 양에 영향을 받지 않았고 계면에서의 캐리어 필터링 효과를 통해 제백계수만을 향상시켰다.
이러한 문제를 해결하고자 Lu et al. 은 분산제를 사용하지 않고 계면 중합(interfacial polymerization) 방법을 통해 케이블 모양의 Au/PEDOT 나노구조체를 합성하였다.²²⁾ 비슷한 방법으로 합성된 PbTe-PEDOT 나노튜브(nanotube)는 계면에서의 산화 반응 없이 최대의 파워펙터를 얻을 수 있었다.
²⁵⁾ Du et al. 은 상온에서 높은 열전특성을 나타내는 p-형 Bi_0.5Sb_1.5Te₃을 인터칼레이션/익스폴리에이션 방법을 이용하여 나노시트(nanosheet) 형태로 떼어낸 후 분산성을 높여PEDOT:PSS와 복합체를 합성하였다. 이 경우 파워펙터가 32 μW/mK² 로 증가함을 나타냈는데 이는 단일상의 PEDOT:PSS에 비하여 약 3배 정도 증가한 결과로 유-무기 계면 현상에 의해 열전 효율을 극대화시킬 수 있음을 보인 중요한 연구결과이다.
Wang et al. 은 카본 나노튜브(carbon nanotube)를 템플릿으로 이용하여 규칙적으로 배열된 형태의 PANI/CNT 복합체를 합성하였고 그 결과 전기적 특성을 향상시켰다(Fig. 5). 그 이유는 선형 구조의 PANI는 상대적으로 높은 전자 비편제화를 통해 향상된 전하이동도 값을 가질 수 있었기 때문이다.
Cho et al. 은 템플릿을 사용하지 않고 자가조립형의 PEDOT 나노와이어를 기체상중합(vapor phase polymerization)을 통해 합성하였다. 이렇게 합성된 PEDOT 나노와이어는 단일상에 가까운 결정성을 가지고 있는데 이는 8797 S/cm의 높은 전기전도도 값을 나타내었다.

성능/효과

42 까지 나타내었다.¹⁹⁾ 전자 구조의 변형을 통한 전기적 특성 향상뿐 만 아니라, 전도성 고분자에서 도핑은 고분자의 구조적인 변형을 통해서도 전기전도도의 향상을 야기할 수 있다. 일반적으로 비정형한 형태의 코일 구조를 가지는 전도성 고분자를 잘 펴진 선형 형태의 구조로 변형 함으로써 전하이동도의 향상을 기대할 수 있으며 이를 통해 전기전도도를 증대시킬 수 있다(Fig.
은 PEDOT:PSS가 존재하는 수용액 내부에서 p-형 Te 나노로드(nanorod)를 수용액 방법을 통해 합성하여 PEDOT:PSS가 코팅된 형태의 Te/PEDOT:PSS 박막형 복합체를 합성 하였다. 그 결과 Te/PEDOT:PSS 복합체는 단일상의 Te 나노로드와 PEDOT:PSS의 ZT 와 비교하여 약 103 배 향상된 ZT 값인 0.1 을 나타냈다. 이러한 결과는 제백계 수의 커다란 감소 없이 복합체의 전기전도도를 높게 유지할 수 있었기 때문인데 이는 Te 나노로드 표면을 감싸고 있는 고전도성의 PEDOT:PSS가 결함없이 연결되었고 전하 이동 경로로써 효과적으로 역할을 수행할 수 있기 때문이다.
두 종류의 에너지 장벽(0.24 eV Te/PEDOT:PSS, 0.31 eV rGO/PEDOT:PSS)를 동시에 가지는 복합체의 열전특성은 강력해진 계면에서의 캐리어 필터링 효과를 통해 단일상에 비해 약 102배 증가한 파워펙터143 μW/mK2 를 나타내었다.
이러한 특성을 이용하여 Bubnova et al. 은 PEDOT:p-toluenesulfonate(PEDOT:Tos)의 산화 레벨(oxidation level)를 tetrakis(dimethylamino) ethylene(TDAE)을 이용한 디-도핑(de-doping)을 통해 제어하여 향상된 제백계수를 얻을 수 있음을 보여주었다.¹⁸⁾ 또한 ethylene glycol (EG)은 잘 알려진 디-도핑 물질로 이를 이용하여 Kim et al.
은 볼-밀링 방법으로 SnSe을 파우더 형태로 성형한 후, 리튬(Li) 삽입 방법(Li-intercalation process)를 통해 합성한 SnSe 나노시트(nanosheet)와 PEDOT:PSS 복합체를 합성하였다. 흥미로운점은 복합체의 열전도도는 SnSe 나노시트 양에 영향을 받지 않았고 계면에서의 캐리어 필터링 효과를 통해 제백계수만을 향상시켰다. 또한 DMSO 디-도핑을 통한 PEDOT:PSS의 전기전도도의 추가적인 향상은 SnSe/PEDOT:PSS 복합체의 파워펙터를 380 μW/mK² 까지 끌어올릴 수 있었다.

후속연구

이를 위해 고효율의 열전성능을 가지는 열전 소재의 개발 및 이를 이용한 열전 소자 개발에 대한 다양한 연구가 계속되고 되고 있다. 또한 휴대성과 유연성이 강조되는 미래 전자소자를 고려할 때, 차세대 열전재료는 고효율과 함께 구부러짐이 가능하여 설치장소 형태에 제약을 받지 않고, 다양한 형태를 가지는 전자소자 및 기기에 적용이 가능해야 할 것이다.
또한 유-무기 복합체의 계면 제어를 통해 열전특성을 향상시키기 위해서는 복합체 내의 계면의 구조, 밀도, 결함 등에 대한 고려가 필수적이다. 유-무기 복합체 계면 제어 기술은 향후 유/무기 복합소재를 기반으로 하는 우수한 고유연성, 고신뢰성, 고성능 열전효율을 가진 열전 모듈 개발로 이어질 수 있고 나아가 다양한 전자소자의 효율을 극대화 하는 필수 기술로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전소재의 성능은 어떻게 정의되는가?	열전소재의 성능은 열전성능지수(figure of merit) ZT= S2σT/κ 로 정의되는데 여기서 S, σ, T, κ는 각각 제벡계수, 전기전도도, 절대온도, 열전도도로써 열전도도가 낮을수록, 전기전도도와 제벡계수가 높을수록 그 성능이 높다. 이처럼 높은 열전 효율을 가지는 소재를 개발하기 위해서는 소재의 전기전도도와 제백계수를 높이고 동시에 열전도도를 낮춰야 한다.
	일반적인 무기열전소재의 제조 방법은?	유-무기 복합체의 열전특성을 효과적으로 향상시키기 위해서는 유-무기 각각의 단일상이 가지는 열전특성의 최적화가 선행되어야 한다. 일반적으로 무기열전소재는 화학적 방법(chemical synthesis), 용매열합성법(solvothermalmethod), 볼 밀링(ball milling), 멜트 스피닝 (spark erosion), 전기도금법(electrodeposition)등으로 제조할 수 있다. 일반적으로 무기 열전소재의 열전성능 향상은 나노구조화 (nanostructure)를 통해 접근되었다(Fig.
	열전소재의 성능을 높이기 위해 해결해야할 것은 무엇인가?	이처럼 높은 열전 효율을 가지는 소재를 개발하기 위해서는 소재의 전기전도도와 제백계수를 높이고 동시에 열전도도를 낮춰야 한다. 하지만 이들 물성은 서로 교환상쇄(trade-off) 관계를 가지고 있기 때문에 독립적으로 제어하기 위해서는 몇 가지의 제한요소를 해결할 수있어야 한다.1) 예를 들어, 제백계수는 전하밀도(carrier concentration)와 교환상쇄관계를 가지는 대표적인 물성으로 물질의 전하밀도가 증가할 수록 제백계수는 감소하는 경향을 따른다(Fig. 1). 반면 전기전도도는 전하밀도가 높을수록 향상되는데 즉 높은 열전효율을 가지는 물질은 전기전도도와 제백계수의 전하밀도와의 상충관계 안에서 가질 수 있는 최대치를 이끌어 낼 수 있어야 한다. 또한 전기전도도의 감소 없이 효과적으로 열전도도만을 낮추기 위해서는 전자와 포논의 움직임을 독립적으로 제어하여 격자열전도도만을 감소할 수 있어야 하는데 이는 최근 다양한 형태의 무기 나노구조체 도입을 통해 구현되고 있다.2-5)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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