극단론자

Jul 20, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21603(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 보고서는 양이온성 계면활성제를 이용하여 초장기 공기 안정성을 갖는 n형 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 필름을 제시하고, n형 제벡 계수가 2년 이상 유지될 수 있음을 입증하였으며, 이는 보고된 안정성 중 가장 높은 수준이다. 우리가 아는 한도 내에서. 또한, SWCNT 필름은 면내 방향에서 0.62 ± 0.08 W/(m·K)의 매우 낮은 열전도도를 나타내며 이는 박막 TEG에 매우 유용합니다. 우리는 p형 SWCNT 필름과 개발된 n형 SWCNT 필름을 이용한 전탄소나노튜브 TEG를 제작하고, 이들의 공기 안정성을 조사하였다. TEG는 160일 동안 성능이 저하되지 않았으며 60K의 온도 차이에서 최대 전력 0.4μW로 24mV의 출력 전압을 나타냈습니다. 이러한 결과는 탄소 나노튜브 TEG를 전원으로 널리 사용할 수 있는 경로를 열어줍니다. IoT 센서.

탄소 나노튜브(CNT)는 전자1,2,3, 에너지4,5,6 및 기능성 재료7,8,9와 같은 분야에서 여러 응용 분야를 가지고 있습니다. 또한, 원통의 축을 중심으로 육각형 탄소가 나선형으로 배열된 원자 구조를 가지고 있습니다10. CNT는 일반적으로 구조에 따라 단일벽 CNT(SWCNT)와 다중벽 CNT(MWCNT)로 분류됩니다. MWCNT와 비교하여 SWCNT는 매우 높은 전기 및 열 전도성을 포함하여 몇 가지 우수한 특성을 가지고 있습니다. 최근에는 새로운 합성 방법으로 인해 높은 SWCNT 제조 비용의 한계가 극복되었습니다. 이러한 맥락에서 고품질 SWCNT를 대량으로 요구하는 응용 분야를 개발하는 것이 가능해졌습니다.

SWCNT는 Seebeck 효과13,14,15를 통해 열 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 열전 발전기(TEG) 개발에 사용됩니다. SWCNT를 기반으로 한 TEG는 300K 근처의 유연성, 경량 및 적당히 높은 열전 특성을 나타냅니다. 따라서 잠재적으로 사물 인터넷(IoT) 센서의 전원 공급 장치로 사용될 수 있습니다. 특히, IoT 센서 네트워크의 효율적인 사용을 위해서는 좁고 구부러진 지역을 포함하여 전원 공급 장치가 있는 여러 센서를 설치해야 하는 경우가 많습니다. 일반적으로 TEG는 교대로 직렬로 연결된 수많은 n형 및 p형 열전소자로 구성됩니다. 그러나 공기 중에서 장기간 안정성을 갖는 n형 SWCNT를 제작하는 것은 매우 어렵습니다. 이러한 어려움은 깨끗한 SWCNT가 n형 특성을 나타내기 때문에 존재하며, 이는 산소 분자가 SWCNT 표면에 흡착될 때 즉시 p형으로 변합니다. 따라서 SWCNT의 전자는 산소 분자로 전달됩니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 여러 학자들이 공기 중에서 장기간 안정성을 갖는 n형 SWCNT를 얻기 위한 방법을 시도하고 제안했습니다. Nonoguchiet al. 염 배위 n형 SWCNT가 100°C에서도 장기간 동안 우수한 공기 안정성을 나타냈다고 보고했습니다. Hataet al. 최근 1,2-diphenylhydrazine을 포함한 폴리머로 밀봉된 SWCNT가 가속 노화 조건에서 한 달 이상 화학적으로 안정하다는 보고가 있었습니다. 이러한 선구적인 연구는 우리가 손쉬운 프로세스를 사용하여 공기에 안정한 n형 SWCNT를 조사하도록 동기를 부여했습니다. 최근 연구에서는 다양한 음이온 계면활성제를 사용하여 n형 SWCNT 필름을 제조한 후 열처리를 했습니다. 그중 SDBS(sodium dodecylbenzenesulfonate)를 포함하는 SWCNT 필름은 14일 동안 약 -50μV/K의 n형 제벡 계수를 나타냈습니다.

본 연구에서는 n형 제벡 계수가 안정적으로 유지되는 시간을 연장하기 위해 SWCNT에 분산된 양이온성 계면활성제를 사용하였다. 양이온성 계면활성제의 분자는 음이온성 계면활성제의 분자와 달리 양이온-π 궤도 상호작용으로 인해 CNT 표면에 강하게 부착됩니다. 그러나 양이온성 계면활성제는 음이온성 계면활성제에 비해 분산성이 낮다. 따라서 우리는 SWCNT에 분산된 여러 양이온성 계면활성제를 조사하고 공기 안정성과 관련하여 열전 특성을 추정했습니다. 다음 단계는 모든 탄소 TEG를 준비하는 것입니다. 우리는 유연한 기판 위에 p형 SWCNT 필름과 양이온성 계면활성제(n형)가 포함된 SWCNT 필름으로 구성된 전탄소 TEG를 준비하고 TEG 성능을 측정했습니다.