초록 ▼

본 연구는 최근 차세대 에너지 하베스팅 소자로 주목받기 시작한 유기반도체를 이용한 박막 열전소자 및 유연성을 갖는 열전발전 모듈을 개발하는 과제로 총 2년 6개월의 사업을 통해 아래와 같은 연구 성과를 이루었다.

본 개발 사업에서 사용한 유기반도체는 주로 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)라는 고분자 소재로, 전기전도도가 우수하고 시중에서 쉽게 구할 수 있는 재료이다. 그러나 이것을 그대로 사용하는 경우, Seebeck coeffici

본 연구는 최근 차세대 에너지 하베스팅 소자로 주목받기 시작한 유기반도체를 이용한 박막 열전소자 및 유연성을 갖는 열전발전 모듈을 개발하는 과제로 총 2년 6개월의 사업을 통해 아래와 같은 연구 성과를 이루었다.

본 개발 사업에서 사용한 유기반도체는 주로 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)라는 고분자 소재로, 전기전도도가 우수하고 시중에서 쉽게 구할 수 있는 재료이다. 그러나 이것을 그대로 사용하는 경우, Seebeck coefficient나 power factor와 같은 열전소자로서의 성능은 매우 낮은 편이다. 이 재료의 열전 특성 향상을 위해 본 연구에서는 PEDOT과 PSS 분자 사이의 상 분리 및 분자 정렬을 유도할 수 있는 방법들을 개발하였다. Sorbitol을 혼합하는 방법이 대표적인 경우로, sorbitol은 저가에 손쉽게 구할 수 있는 물질이지만 PEDOT:PSS의 전기적 특성을 수백 배 향상시키고 열전 특성도 우수하게 하였다. 또한 이를 이용하여 유기물 기판과 전극 기판을 별도로 제작 후 접합시키는 모듈 제작 방법을 개발하였을 때, 우수한 접착 성능을 나타내도록 하는 부가적인 효과도 얻을 수 있었다.

또 다른 중요한 연구결과는, 황산을 이용한 PEDOT:PSS 박막의 전기적, 열적 특성 향상 방법으로, 황산 용액에 PEDOT:PSS 박막을 담그거나 황산을 뿌리는 기존 처리 방법들이 박막상태를 나쁘게 하는 점을 개선할 수 있는 황산 증기 처리법을 개발하였다. 이 결과 전기전도도와 열전소자 특성은 각각 1000 S/cm 이상, power factor는 약 2800배 증가한 17.0 μW/mK²을 달성하면서도 표면이 매우 우수한 박막을 제작할 수 있었다. 또한 이렇게 개발한 증기처리 방법은, 황산뿐만 아니라 다양한 solvent additive에 대해서도 적용이 가능하였으며, 대부분의 경우에서 매우 우수한 박막 상태를 나타내는 등 파급효과가 클 것으로 기대된다. 그리고 이러한 유기물 박막 열전소자의 기본적인 특성 연구 과정에서, 열전 특성 향상과 관련된 메커니즘을 탐구하며, 유기반도체에 대한 기초적인 이해를 더욱 증진할 수 있었다. 또한 전기전도도 향상을 통해 투명전극 등으로의 응용 가능성과, 투명전극의 성능 향상을 위한 방법 등을 연구하는데 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

고분자 이외에도 pentacene과 같은 저분자 소재, carbon nanotube (CNT) 등의 무기나노소재를 추가로 활용하고, 이들의 도핑이나 처리에 따른 특성 변화도 관찰하였고, 이를 활용하여 다양한 종류의 유기-무기 하이브리드 열전소자 및 모듈에 대한 후속연구를 진행 중이다.

마지막은 유연신축성을 갖는 열전모듈을 개발하기 위해 플라스틱 및 polydimethylsiloxane (PDMS) 기판을 활용하는 방법에 대한 것이다. 플라스틱 기판에 모듈을 제작하는 경우 공정의 편의성을 향상시키기 위해 반도체 층을 형성하는 기판과 전극을 형성하는 기판을 달리하여, 이들을 합치는 공정과 모듈 구조를 개발하였다. 이 방법은 제작과정에서 열전소자의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 우수한 방법으로 평가된다. PDMS 기판의 경우 유기반도체 wetting 특성을 향상시키기 위한 공정을 진행하였고, 이를 바탕으로 신축에 따른 열전소자의 특성 변화를 관찰 하였다.

이와 같은 연구개발을 통해 3건의 SCI 학술지 게재, 1건의 특허 출원, 14건의 학술대회 발표라는 성과를 거두었고, 2명의 석사 인력을 배출하는 성과를 거두었다. 에너지 하베스팅 분야는 산학연의 꾸준한 관심을 바탕으로, 앞으로 지속적인 연구개발과 성능 향상이 이루어질 것으로 기대된다. 본 과제의 결과물도 국내 기술력 강화 및 지식재산권 확보 등에 기여했고 앞으로의 유기열전소자에 대한 기대감을 높였다고 판단하며 요약문을 마친다.

( 출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 3p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 5
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 11