초록 ▼

□ 연구개요
유기물 기반 유연 열전기술은 유연성을 갖는 유기물질을 핵심 소재로 활용하여 열전소자의 응용성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며 저온의 용액공정을 통해 공정용이성 확보가 가능함. 본 연구에서는 고분자 열전소재의 낮은 열전특성을 개선하기 위해 도펀트 및 첨가제로써 양자점, CNT 및 다양한 유기도펀트를 활용하여 열전특성을 향상하였음. 고분자-첨가제의 비율 조절 및 코팅성 등을 최적화하고 스프레이 코팅으로 36쌍의 복합체 박막을 형성하여 유연 열전발전기 구현 하였으며, 온도차 20 °C에서 최대 출력 210 nW를 확보하

□ 연구개요
유기물 기반 유연 열전기술은 유연성을 갖는 유기물질을 핵심 소재로 활용하여 열전소자의 응용성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며 저온의 용액공정을 통해 공정용이성 확보가 가능함. 본 연구에서는 고분자 열전소재의 낮은 열전특성을 개선하기 위해 도펀트 및 첨가제로써 양자점, CNT 및 다양한 유기도펀트를 활용하여 열전특성을 향상하였음. 고분자-첨가제의 비율 조절 및 코팅성 등을 최적화하고 스프레이 코팅으로 36쌍의 복합체 박막을 형성하여 유연 열전발전기 구현 하였으며, 온도차 20 °C에서 최대 출력 210 nW를 확보하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
◼ 1차년도 : 1차년도 연구 목표에 따라, 양자점을 도펀트로 사용하기 위해 균일한 입자크기를 가지는 CdSe 및 PbS 양자점을 콜로이드 합성법으로 제조 하였고, 크기제어기술을 확보하였으며, 무기리간드로 치환하여 10 cm²/Vs 이상의 높은 전하 이동도를 확보함. 추가적으로, p형 유기 열전소재의 성능 향상을 위해 PEDOT:PSS에 CNT 및 DMSO를 도펀트로 첨가하여 고분자-도펀트의 하이브리드 복합체 제조에 성공하였으며, 복합체의 박막 후처리 공정 및 도펀트 농도조절을 통해 최대 상온 열전 출력인자 46 μW/m·K²를 확보하는 등 대부분의 목표를 초과 달성함.
◼ 2차년도 : 1차년도 종료 후 제출 한 연차실적계획서 상에서 수정된 2차년도 연구목표에 따라, 무기리간드 치환 양자점은 열전 고분자 용액에 분산되지 않는다는 사실을 확인하고 유기도펀트 개발을 위해 무기물의 n-도핑에 주로 사용되는 BV를 열전 고분자인 PNDI-T2에 신규 적용하여 n-도핑에 성공하였고, 최적의 도펀트 함량을 찾아 최대 1547 μV/K의 지백계수를 확보함. 또한, n-형 유기도펀트인 PEI를 CNT와 하이브리드하여 n-형 고분자-CNT 복합체를 제조하여 최대 43.2 μW/m·K²의 높은 상온 출력인자를 확보하는 등 대부분의 목표를 초과 달성함.
◼ 3차년도 : 2차년도에서 일부 목표를 100배 이상 초과 달성하여 목표를 상향하였으며, 제출 한 연차실적계획서 상에서 수정된 최종 연구목표인 “최적화 된 단위 열전소자에 기반 하여 5쌍 이상의 유기 열전소자 쌍으로 구성 된 유연 열전발전기 구현하고, 온도차 10°C에서 최대 출력 50 nW, 온도차 20°C에서 최대 출력 100 nW이상 확보”를 달성하기 위해 노력함. 구체적으로, D-A형 고분자를 이용해 FWCNT를 분산하여 D-A형 고분자/FWCNT 복합체를 형성하고 용액공정을 통해 균일한 모폴로지를 갖는 박막을 제조하였으며, 최대 368.62 μW/m·K²의 높은 상온 출력인자를 확보함. 또한, D-A형 고분자/FWCNT 복합체 기반 36개의 쌍을 갖는 유연 열전발전기를 제조하였고, 온도차 20 ℃에서 최대 출력 210 nW를 달성함. 본 열전발전기는 고분자 기판 위에 스프레이 코팅법을 이용해 대기 중에서 제작되었으므로, 기계적 유연성뿐만 아니라 대기 안정성까지 확보함. 본 연구과제의 최종 목표인 유연발전기 제조를 성공적으로 수행하였고, 또한 온도차 20 °C에서 최대 출력 100 nW를 200% 이상 초과 달성하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
열전기술은 자동차/산업 폐열발전, 냉방장치, 센서 등으로 시장이 확대되어 있으며,2011년 기준 10조원을 상회하는 대규모의 국내외 잠재 시장을 가지는 것으로 추산됨. 특히, 산업용 폐열발전 등의 대규모 열원을 개발하는 기술은 그 잠재 시장 규모가 가늠되지 못할 정도로 큰 것으로 알려져 있고 열전 에너지 하베스팅 기술의 경우 2012년부터 2022년까지 연평균 37%이상의 고성장률을 기록 할 것으로 전망됨. 본 연구를 통해서 개발된 고성능 공정용이성 D-A형 고분자/CNT 기반 열전발전기는 유연 열전소자의 핵심기술이 될 뿐만 아니라 국내 기업들과의 협의를 통해 제품화를 추진한다면 세계 열전소자 시장에서 선도적 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 예상함.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 본 연구개발의 필요성 ... 4
• 나. 1차년도 연구수행내용 요약 ... 4
• 다. 2차년도 연구수행내용 요약 ... 4
• 라. 최종목표 및 연구범위 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 11