서강대학교

초록/요약

온도 차를 이용하여 전기를 얻을 수 있는 발전시스템인 열전발전은 다양한 종류의 열원을 에너지원으로 이용할 수 있고, 날씨나 일조량에 영향을 받지 않아 안정적으로 발전이 가능한 발전 방법이다. 열전소재의 성능을 가늠하는 성능지표 (figure of merit)인 ZT 는 ZT=S2σT/κ 로 표현 된다. 따라서 전기 전도도와 열전기력이 높고, 열 전도도는 낮은 물질이 좋은 열전소재가 될 수 있다. 본 연구에서는 고분자 매트릭스에 탄소나노튜브 (CNT) 필러를 이용하여 나노복합체를 제조하고 열전재료로써의 가능성을 알아보았다. 고분자는 열 전도도가 월등히 낮아서 전 기 전 도 도 와 열 전 기 력 을 개 선 할 경 우 열 전 재 료 로 서 의 가 능 성 이 있 는 물질 로 예 상 된 다 . 고 분자로는 매트릭스로는 수용성 고분자인 Nafion 을 이용하였으며 필러로는 SWCNT, TWCNT, MWCNT 를 사용하였다. CNT 는 Fenton chemistry 를 이용하여 정제하고, 정제된 CNT 는 Nafion 용액과 함께 물을 용매로 복합체로 제조하여 전기 전도도, 열전기력을 측정하였다. 결과 적으로 안정적인 분산을 이루고 있는 5 ~ 50 wt%의 CNT 를 함유한 CNT/Nafion 복합체를 제조할 수 있었다. 전기 전도도와 열전기력이 매우 낮은 Nafion에서 CNT 의 함량이 높아질수록 전기 전도도와 열전기력이 증가함을 보였다. 이 때 최대전기 전도도는 MWCNT/Nafion 복합체 30 wt%에서 13 S/cm 였으며, 최대 열전기력은 SWCNT/Nafion 50 wt%에 서 8.5 μV/K 을 보 였 다 . 전 기 전 도 도 와 열 전 기 력 에 의 해 나 타 낼 수 있 는 파 워 펙 터 (S2σ)의 경 우 TWCNT/Nafion 복 합 체 50 wt% 에 서 0.034 μW/mK2 의 값 을 가 졌 다 . 열 전 도 도 는 TWCNT/Nafion 복 합 체 의 경 우 5 wt%에 서 상 온 에 서 0.6 W/mK 로 측 정 이 되 어 최 대 6000 W/mK 의 열 전 도 도 를 가 지 는 CNT 의 열 전 도 를 매 우 낮 출 수 있 음 을 알 수 있 었 다 . 이로 써 저 렴 하 고 공 정 이 간 편 한 CNT/Nafion 나 노 복 합 체 의 열 전 소 재 로 써 의 응 용 가 능 성 이 있 음 을 보 았 다 . 분 자 -금 속 접 합 의 열 전 기 력 에 관 한 연 구 는 유 기 분 자 의 열 전 소 재 로 써 의 이 용 가 능 성 에 대 한 기 초 적 연 구 일 뿐 만 아 니 라 , 분 자 -금 속 접 합 에 서 의 분 자 에 너 지 레 벨 에 대 한 이 해 를 가 능 케 한 다 . 또 한 다 양 한 분 자 의 열 전 기 력 측정 으 로 분 자 의 구 조 에 따 른 전 기 적 구 조 및 열 전 기 력 의 영 향 을 이 해 할 수 있 다 . Phenyl 기의 수와 말단기가 다른 여러 가지 conjugated 유기분자들을 준비하였다. Tthiolate 말단기를 가진 분자로는 benzyl thiolate (MPMT), biphenyl thiolate (BPMT), tryphenyl thiolate (TPMT), quartphenyl-4-yl ethanethioate (QPMT)를 구 매 , 합 성 하 였 으 며 ,Isocyanide 를 말 단 기 로 갖 는 socyanophenyl (MPMI), isocyanophenyl, 4-ocyanobiphenyl (BPMI), 4-isocyanoterphenyl (TPMI), 4-isocyanoqerterphenyl(QPMI)를 구 매 와 합 성 을 통 해 준 비 하 였 다 . 준비된 분자들은 self-assembledmonolayer (SAM) 기 법 을 이 용 하 여 Au 기판에 샘플을 제조하여 열전기력 측정을 위해 개조한 atomic force microscope (AFM) 으로 열전기력을 평가하였다. Thiolate 말단기를 가진 분자들은 열전기력이 양인 p 타입으로 측정이 되었으며, phenyl 기가 늘어날수록 그 값은 증가하였다. Isocynide 의 열전기력은 음으로 측정이 되어 n 타입을 나타내었으며, phenyl 기가 늘어날수록 음의 값으로 열전기력이 커지는 것을 관찰하였다. 이로써, 유기분자의 구조에 따라 열전기력의 크기와 방향이 제어될 수 있음을 알 수 있었고, 새로운 분자구조의 개발을 통해 분자-금속 복합체가 열전재료로서 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다.