[한국대학신문 이정환 기자] 고려대학교(총장 김동원) 이과대학 화학과 윤효재 교수 연구팀은 분자를 이용해 폐열을 전기로 바꾸는 고성능 열전소재 개발 가능성을 확인했다. 특히, 열전 성능을 평가하는 지벡 계수(Seebeck coefficient)가 분자열전학 분야에서 세계 최고 수준으로 높은 값을 보이는 유기금속분자사슬을 발견하였고 관련 메커니즘을 규명했다.

연구결과는 화학 분야 세계적 권위 학술지인 미국화학회지 〈Journal of the American Chemical Society〉( https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c14012)에 2월 8일자 온라인 게재됐다. 연구진은 장지웅 (고려대, 제1저자), 조정우 (고려대, 공동 제1저자), 타츠히코 오토(나고야대, 공동교신저자), 윤효재 (고려대, 교신저자) 등 4명이다

열을 전기로 바꾸는 열전현상은 친환경 에너지원이 될 수 있으며 기후변화에 대응하는 하나의 방법이 될 수 있다. 분자처럼 그 크기가 매우 작은 물질에서 우수한 열전현상을 달성할 수 있다면 미세전자소자 구동 시 발생하는 폐열을 활용해 전기를 생산하는 나노스케일 에너지 소자를 개발할 수 있을지도 모른다. 더불어, 분자에 의한 열전현상을 이해하는 연구는 분자 내 전하수송 메커니즘을 이해하는 중요한 기초연구가 될 수 있다.

윤효재 교수팀은 전기화학 방법을 이용해 전극 표면에 분자사슬을 합성했다. 이때 루테늄(Ru) 기반의 유기금속분자 사슬을 형성(그림 1)하면 매우 높은 지벡계수에 도달할 수 있음을 발견했다. 특히, 10 nm 두께의 분자사슬에서 1000 μV/K이 넘는 지벡계수를 측정했으며, 이 값은 분자열전학에서 널리 연구되는 유기분자들의 값보다 대략 100배 높다.

높은 지벡계수를 달성가능하게 해주는 전하의 이동 메커니즘을 규명함으로써 연구의 학문적 가치를 더했다. 일반적으로 분자에서의 전하 이동은 양자역학적 터널링(tunneling) 혹은 호핑(hopping) 방식으로 일어난다. 분자를 통해 흐르는 전류를 측정하는 일반적인 분석법으로는 두 메커니즘을 구분짓기가 어려운 경우가 많다. 하지만 전류측정이 아닌 지벡계수 측정을 통해 두 메커니즘을 보다 명확히 구분할 수 있음을 밝혔다. 일본 나고야대 타츠히코 오토 교수와의 공동연구를 통해 양자계산을 진행했고 유기금속분자사슬의 높은 지벡계수는 호핑이 아닌 터널링, 특히 ’유사공진 터널링(near-resonant tunneling)‘에 의해 가능함을 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단(개인기초연구사업, 중점연구소지원사업, 박사과정생 연구장려금지원사업)의 지원을 받아 수행했다.