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유기 및 복합 열전소재의 연구 동향 원문보기

E<SUP>2</SUP>M : Electrical & Electronic materials = 전기 전자와 첨단 소재, v.31 no.1, 2018년, pp.24 - 33  

안승건 (한국화학연구원) ,  배은진 (한국화학연구원) ,  조성윤 (한국화학연구원)

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문제 정의

  • 본 글에서는 최근 주목을 받고 있는 유기기반 열전소재에 대한 선행 연구 결과를 바탕으로 높은 에너지변환효율을 가지는 유기 열전소재의 개발을 위한 연구동향을 기술하고자 한다.
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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
비스무스 텔루륨 (Bi2Te3)기반 무기 열전소재의 특징은 무엇인가? 따라서 높은 에너지변환효율을 가지는 열전소자를 제작하기 위해서는 제벡상수가 크고, 전기전도도가 높으며, 열전도도가 낮은 열전소재가 개발 되어야 한다. 현재까지는 열전성능지수 값이 상온에서 약 1에 가까운 비스무스 텔루륨 (Bi2Te3)기반의 무기 열전소재가 상업적으로 다양한 응용이 시도되고 있으나, 매장량이 적은 희귀 금속의 원소로 이루어져 있고, 가공 온도가 높으며, 약한 취성에 기인한 형태의 자유화가 없어 대면적화가 어려우며, 높은 제작 공정비용이 요구되는 단점으로 인해 그 응용의 한계가 존재한다. 한편, 최근 유기 및 복합 열전소재가 주목을 받는 이유는 유기기반의 열전소재는 가볍고, 기계적 유연성이 좋으며, 프린팅 기술을 접목하여 쉽게 대면적화 및 고집적화가 가능하므로 저비용 고효율로 열에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있는 가능성 때문이다.
열전소자란 무엇인가? 특히, 화석연료를 주로 사용하는 산업시설이나 자동차, 또는 태양광 및 인체의 체온에서 낭비되고 있는 다양한 폐열을 회수하여 전기에너지로 변환하여 에너지의 효율을 향상시킬 수 있는 열전 에너지 소재는 신재생에너지 분야에서 지속적인 관심을 받고 있다 [1,2]. 열전소자(thermoelectric generator)는 열에너지를 전기에너지로, 또는 전기에너지를 열에너지로의 변환을 가능하게 하는 소자로 에너지 절감이라는 세계 에너지 시장의 트랜드에 잘 부합하는 에너지 소자이다. 이러한 열전 에너지변환 현상은 Thomas Seebeck 이라는 물리학자가 1821년 비스무스(bismuth)와 구리(copper)를 연결하고 한쪽 접합부를 뜨겁게 가열하는 실험을 통해, 양쪽 접합부의 온도 차이에 의해 폐회로에 전류가 흐르는 현상을 발견하면서 알려졌다.
고분자 기반 유기 열전소재가 우수한 전기적 특성과 전도성을 나타내는 원리는 무엇인가? 고분자 기반 유기 열전소재로 널리 사용되고 있는 대표적인 전도성 고분자는 polyaniline(PANI), polypyrole(PPY), poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate(PEDOT:PSS), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등이 있으며, 이들 고분자의 화학구조는 그림 1에 나타내었다. 전도성 고분자들은 파이 공액 고분자(π-conjugated polymer)로도 불리며, 이들 고분자들은 단일 및 이중 결합이 교대로 존재하여 고분자 사슬의 파이 공액 결합에 속한 전자는 파이 결합을 따라 원자에서 비편재화(delocalized)되어 자유롭게 이동할 수 있어 우수한 전기적 특성과 전도성을 나타낸다.
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