커피잔 열로 휴대폰 충전? KAUST tool predicts optimal solvent to unlock 20× power in organic thermoelectric

KAUST tool predicts optimal solvent to unlock 20× power in organic thermoelectric

Imagine charging your phone with the heat from your coffee cup, KAUST’s new discovery can make it a reality.

 

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KAUST 툴, 유기 열전소자에서 20배의 전력을 끌어낼 최적의 용매 예측

 

커피잔의 열로 휴대폰을 충전한다고 상상해보세요. KAUST의 새로운 발견으로 그것이 현실이 될 수 있습니다.

클로로벤젠은 KAUST 모델에서 최적의 용매로 나타났습니다.

 

킹압둘라 과학기술대학교(KAUST) 연구진은 유기 열전 소자(OTE) 제작 시 최적의 용매를 선택하는 데이터 기반 방법을 개발했습니다. 이는 폐열을 전기로 변환하는 박막 시스템입니다.

 

모델 기반 "용매 선택기"는 폴리머 분자를 가장 전도성이 높은 방향으로 유도함으로써 개념 증명 시험에서 장치 출력을 20배나 높여 저비용으로 보다 친환경적인 전력 포집 경로를 제공했습니다.

 

프로젝트 리더인 데리아 바란은 "폐열은 산업 공정, 자동차 엔진, 에어컨, 심지어 커피 한 잔에도 존재합니다."라고 말하며, "이를 활용하여 전자 기기의 에너지 자립도를 향상시키고자 합니다. 예를 들어, 콘센트에 꽂지 않고도 배터리를 충전할 수 있도록 하는 것입니다."라고 덧붙였습니다.

 

필름 형성을 위한 분자 지도

기존의 열전 소자는 텔루르화 비스무트와 같은 값비싼 무기 결정에 의존합니다. 유기 열전 소자는 대량 인쇄가 가능한 용액 공정이 가능한 폴리머를 대체하지만, 긴 폴리머 사슬이 무작위로 결정화되기 때문에 효율이 떨어집니다.

 

최대 전류는 이러한 결정질 도메인들이 "에지온(edge-on)"으로 적층될 때만 흐릅니다. 이는 전하 캐리어가 모듈의 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 직접 이동할 수 있는 경로를 제공합니다. 이러한 바람직한 정렬을 달성하려면 일반적으로 고온 어닐링, 기계적 마찰, 또는 기타 에너지 집약적인 단계가 필요합니다.

 

문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은, 폴리머 필름에 자유 전하를 공급하면서도 결정의 패킹을 방해할 수 있는 첨가제를 도핑해야 한다는 점입니다. 이러한 복잡성을 해소하기 위해 KAUST 연구팀은 분자력 구동 이방성(MFDA)이라는 개념을 기반으로 예측 모델을 구축했습니다.

 

이 소프트웨어는 후보 용매가 폴리머와 도펀트를 얼마나 잘 용해시키는지, 그리고 끓는점과 같은 물리적 특성 요인들을 가중합니다. 이러한 분자간 힘을 분석하여, 습식 필름이 건조되는 동안 주어진 용매가 폴리머 사슬을 바람직한 가장자리 배열로 유도하는지 여부를 예측합니다.

 

"이 도구는 필요한 폴리머 배향을 구현하는 데 필요한 용매를 예측하는 동시에 대규모 용매 데이터베이스를 검토하는 데 매우 유용합니다."라고 현재 베른 대학교에 재직 중인 공동 저자 디에고 로사스 빌랄바는 설명합니다. "이 도구를 사용하면 시행착오를 통해 최적화하는 데 드는 시간과 자원을 크게 절약할 수 있습니다."

클로로벤젠이 왕관을 차지하다

연구진은 MFDA를 활용하여 1만 개가 넘는 시중 용매를 면밀히 검토하여 세 가지 다른 도펀트와 결합된 벤치마크 폴리티오펜 폴리머의 이상적인 파트너를 찾았습니다. 이 알고리즘은 실험실에서 흔히 사용되는 용매인 클로로벤젠을 압도적으로 선호했는데, 모델에 따르면 클로로벤젠의 분자 상호작용은 질서정연한 에지온 결정 성장을 촉진합니다.

 

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클로로벤젠으로 주조된 장치는 오랫동안 업계에서 선호되어 온 오르토디클로로벤젠으로 제조된 장치보다 20배 더 뛰어난 성능을 보였습니다. 추가적인 가공 기술은 필요하지 않았고, 단순히 액체만 바꾸는 것만으로도 성능이 크게 향상되었습니다.

 

저자들은 유사한 용매 유도 정렬이 유기 태양 전지부터 유연한 트랜지스터까지 다른 폴리머 전자 장치 에도 적용될 수 있다고 주장합니다.

 

폐열 수확을 넘어서

MFDA 프레임워크는 거시적 성능을 정확한 분자 관계에 연결하기 때문에 Baran은 이것이 연구자들에게 연성 전자 소재의 전하 이동을 조정하기 위한 일반적인 로드맵을 제공할 것이라고 믿습니다.

 

"방향은 모든 전자 기기에 매우 중요한 요소입니다."라고 그녀는 말합니다. "다른 연구자들도 이 전략을 사용하여 유기 전자 기기 내부에서 전하가 어떻게 움직이는지 이해하고, 나아가 이러한 기기를 개선할 수 있을 것으로 생각합니다.

 

시행착오적인 화학을 목표 지향적 용매 공학으로 대체함으로써 KAUST 팀은 보이지 않는 에너지를 유용한 전력으로 전환하는 데 결정적인 한 걸음을 내디뎠습니다.

 

이는 아직 초기 단계에 있는 유기 열전 분야가 실험실 시연에서 공장, 차량, 가전제품에서 매일 빠져나가는 저급 열의 막대한 강을 회수할 수 있는 실용적인 모듈에 이르기까지 더 짧고 저렴한 경로의 약속을 이행하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

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