KR102353622B1 - Polymer thermoelectric material comprising gold nanoparticles - Google Patents

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KR102353622B1
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한미정
조성윤
강영훈
이창진
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한국화학연구원
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Abstract

The present invention provides a polymer thermoelectric material comprising gold (Au) nanoparticles, wherein the material comprises a polythiophene-based conjugated polymer matrix and Au nanoparticles doped with Au ions, thereby effectively improving thermoelectric properties, which have been insufficient in the prior art, and realizing excellent doping stability. The present invention is expected to be actively utilized as a wearable device or a flexible thermoelectric element by applying the polymer thermoelectric material.

Description

금(Au) 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재 {POLYMER THERMOELECTRIC MATERIAL COMPRISING GOLD NANOPARTICLES}Polymer thermoelectric material containing gold (Au) nanoparticles {POLYMER THERMOELECTRIC MATERIAL COMPRISING GOLD NANOPARTICLES}

본 발명은 금(Au) 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재에 관한 것이다. 구체적으로 Au 이온이 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스 및 Au 나노입자를 포함함으로써, 우수한 도핑안정성 및 탁월한 열전특성을 갖는 고분자 열전 소재에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer thermoelectric material including gold (Au) nanoparticles. Specifically, it relates to a polymer thermoelectric material having excellent doping stability and excellent thermoelectric properties by including a polythiophene-based conjugated polymer matrix doped with Au ions and Au nanoparticles.

열전 소재는 Bi2Te3 등의 열전성능이 뛰어난 무기소재에 대한 연구가 중심이 되어왔다. 하지만, 효율이 좋은 무기 열전 소재들의 대부분은 희귀원소이기 때문에 가격이 높고 취성(brittleness) 및 유연성이 미흡하여 다양한 산업분야에 응용하는 데에 한계가 있다.As for thermoelectric materials, research on inorganic materials with excellent thermoelectric performance such as Bi 2 Te 3 has been the focus. However, since most of the inorganic thermoelectric materials with good efficiency are rare elements, their price is high and their brittleness and flexibility are insufficient, so that their application to various industrial fields is limited.

이에 반해 유기재료는 무기재료에 비해서 저렴하고 대면적 증착이 가능하며, 우수한 인성(toughness), 탄성(elasticity) 및 낮은 열전도도를 가지고 있다. 또한, 용액 공정을 적용하여 공정비용을 줄일 수 있고, 다양한 재료와 혼합하여 하이브리드형 열전 소재를 제조할 수 있기 때문에, 최근에는 유기재료를 이용한 열전 소재에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.On the other hand, organic materials are cheaper than inorganic materials and can be deposited over a large area, and have excellent toughness, elasticity, and low thermal conductivity. In addition, since the process cost can be reduced by applying a solution process and a hybrid thermoelectric material can be manufactured by mixing with various materials, research on thermoelectric materials using organic materials has been actively conducted in recent years.

대표적인 유기소재로 전기전도도가 높은 공액 고분자를 사용하는데, 예로는 polypyrole(PPY), polyaniline(PANI), polycarbazole, polythiophene(PTh), poly(3,4-ethlyenedioxythiophene)(PEDOT) 및 poly(4-styrene sulfonic acid)(PSS) 등을 들 수 있다. 이러한 공액 고분자는 용매에 대한 용해성이 매우 떨어져 제조공정에서 어려움이 있지만, Poly(3- hexylthiophene)(P3HT)의 경우 도핑했을 경우 전기전도도가 우수하고, 다양한 유기용매에 용해되기 때문에 열전 소재로서 많이 연구되고 있다.As a representative organic material, a conjugated polymer with high electrical conductivity is used. Examples include polypyrole (PPY), polyaniline (PANI), polycarbazole, polythiophene (PTh), poly(3,4-ethlyenedioxythiophene) (PEDOT) and poly(4-styrene). sulfonic acid) (PSS) and the like. These conjugated polymers have very poor solubility in solvents, making the manufacturing process difficult, but in the case of Poly(3-hexylthiophene) (P3HT), when doped, it has excellent electrical conductivity and is soluble in various organic solvents, so it has been widely studied as a thermoelectric material. is becoming

하지만 보고된 논문 등의 자료에 따르면, 상기 P3HT는 열전특성이 상대적으로 다른 전도성 고분자보다 미흡하다는 지적이 있어, P3HT의 열전 소자화 및 다양한 산업에 활용을 위해서는 P3HT의 열전 특성 향상에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다.However, according to the reported papers and the like, it is pointed out that the thermoelectric properties of P3HT are relatively inferior to those of other conductive polymers. the current situation.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 Au 이온이 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스 및 Au 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재를 제공하는 것이다.An object of the present invention to solve the above problems is to provide a polymer thermoelectric material comprising a polythiophene-based conjugated polymer matrix doped with Au ions and Au nanoparticles.

본 발명의 또다른 목적은 상술한 고분자 열전 소재를 포함하며, 탁월한 열전 성능을 갖는 열전 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a thermoelectric device including the above-described polymer thermoelectric material and having excellent thermoelectric performance.

상기 목적을 달성하기 위하여 많은 연구를 한 결과, Au 이온이 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스 및 Au 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재의 경우, 현저한 도핑안정성 및 탁월한 열전특성을 갖는다는 것을 발견하여 발명을 완성하였다.As a result of many studies to achieve the above object, in the case of a polythiophene-based conjugated polymer matrix doped with Au ions and a polymer thermoelectric material containing Au nanoparticles, it was found that it has remarkable doping stability and excellent thermoelectric properties. The invention was completed.

본 발명은 Au 이온이 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스 및 Au 나노입자를 포함하고, 상기 Au 나노입자는 상기 고분자 매트릭스에 균일하게 분산되어 함입된 것을 특징으로 하는 고분자 열전 소재를 제공한다.The present invention provides a polymer thermoelectric material comprising a polythiophene-based conjugated polymer matrix doped with Au ions and Au nanoparticles, wherein the Au nanoparticles are uniformly dispersed and impregnated in the polymer matrix.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au 이온은 AuCl4 -일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Au ions may be AuCl 4 -.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재 표면의 X선 광전자 분광 분석(XPS) 스펙트럼은 84.2±0.5, 86.8±0.5, 87.8±0.5 및 90.3±0.5 eV에서 Au의 피크를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the surface of the polymer thermoelectric material may have Au peaks at 84.2±0.5, 86.8±0.5, 87.8±0.5 and 90.3±0.5 eV.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재 표면의 X선 광전자 분광 분석(XPS) 스펙트럼은 198.5±0.5 및 200.0±0.5 eV에서 Cl의 피크를 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the surface of the polymer thermoelectric material may have Cl peaks at 198.5±0.5 and 200.0±0.5 eV.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au이온 및 Au 나노입자는 고분자 매트릭스의 표면에 위치할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Au ions and Au nanoparticles may be located on the surface of the polymer matrix.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au 나노입자의 평균입경은 1 내지 5㎚일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the average particle diameter of the Au nanoparticles may be 1 to 5 nm.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au 나노입자는 상기 AuCl4 -로부터 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Au nanoparticles may be formed from the AuCl 4 -.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재는 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크가 하기 식 1을 만족할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the polymer thermoelectric material, a peak in the 500±1 nm region in the UV-vis spectrum may satisfy Equation 1 below.

[식 1] I800/Ii ≤ 1.1[Equation 1] I 800 /I i ≤ 1.1

(상기 식 1에서 Ii는 도핑된 직후 측정된 상기 고분자 열전 소재의 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도이고, I800은 도핑된 뒤 800시간 방치후 측정된 상기 고분자 열전 소재의 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도이다.)(In Equation 1, I i is the peak intensity in the 500±1 nm region in the UV-vis spectrum of the polymer thermoelectric material measured immediately after doping, and I 800 is the polymer thermoelectric material measured after doping and left for 800 hours. It is the peak intensity in the 500±1nm region in the UV-vis spectrum.)

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재는 전기전도도(S/㎝)가 하기 식 2를 만족할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, electrical conductivity (S/cm) of the polymer thermoelectric material may satisfy Equation 2 below.

[식 2] E300/Ei ≥ 0.3[Equation 2] E 300 /E i ≥ 0.3

(상기 식 2에서 Ei는 도핑된 직후 측정한 상기 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도이고, E300은 도핑된 뒤 300시간 뒤에 측정한 상기 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도이다.)(In Equation 2, E i is the electrical conductivity of the thermoelectric element manufactured using the polymer thermoelectric material measured immediately after doping, and E 300 is the thermoelectric material manufactured using the polymer thermoelectric material measured 300 hours after doping. It is the electrical conductivity of the device.)

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재는 두께가 10 내지 100㎚일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the polymer thermoelectric material may have a thickness of 10 to 100 nm.

본 발명은 상술한 고분자 열전 소재를 포함하는 열전 소재 어레이; 및 상기 열전 소재 어레이를 전기적으로 연결하는 전극;을 포함하는 열전 소자를 제공한다.The present invention provides a thermoelectric material array including the above-described polymer thermoelectric material; and an electrode electrically connecting the thermoelectric material array.

본 발명은 폴리티오펜계 공액 고분자 필름을 제조하는 단계; AuCl3를 포함하는 도핑용액으로 상기 폴리티오펜계 공액 고분자 필름을 도포하는 단계; 및 Au 이온이 부분 환원되어 Au 나노입자가 형성되는 단계;를 포함하는 고분자 열전 소재의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing a polythiophene-based conjugated polymer film; applying the polythiophene-based conjugated polymer film with a doping solution containing AuCl 3 ; and Au ions are partially reduced to form Au nanoparticles.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 폴리티오펜계 공액 고분자 필름은 120℃이상의 온도에서 열처리하여 제조될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the polythiophene-based conjugated polymer film may be prepared by heat treatment at a temperature of 120° C. or higher.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 도핑용액은 AuCl3을 2 내지 10 mM의 농도로 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the doping solution may contain AuCl 3 at a concentration of 2 to 10 mM.

본 발명에 따른 고분자 열전 소재는 Au 이온과 Au 나노입자를 동시에 포함함으로써, 종래에 미흡했던 열전특성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며 탁월한 도핑안정성을 구현할 수 있다. 상기 고분자 열전 소재를 응용하여 웨어러블 디바이스나 유연 열전 소자로의 적극적인 활용이 가능할 것으로 기대된다.Since the polymer thermoelectric material according to the present invention contains Au ions and Au nanoparticles at the same time, it is possible to effectively improve thermoelectric properties, which were insufficient in the prior art, and to realize excellent doping stability. By applying the polymer thermoelectric material, it is expected to be actively utilized as a wearable device or a flexible thermoelectric element.

도 1은 실시예 3에 따른 고분자 열전 소재 표면의 X선 광전자 분광 분석(XPS) Au4f 및 Cl2p 스펙트럼이다.
도 2는 실시예 및 비교예에서 제조한 고분자 열전 소재의 GIWAXS 2차원 이미지이다.
도 3은 실시예 및 비교예에서 제조한 고분자 열전 소재의 TEM 이미지이다. 구체적으로 (a)는 도핑되지 않은 P3HT 필름(top view), (b)는 비교예 5의 고분자 열전 소재(윗면(top view)), (c)는 실시예 5의 고분자 열전소재(윗면(top view))이고, (d)는 비교예 4의 고분자 열전 소재(단면 (cross-sectional)) (e)는 실시예 3의 고분자 열전 소재(단면 (cross-sectional))의 TEM 이미지 이다.
도 4는 실시예 및 비교예에서 제조한 고분자 열전 소재의 도핑 직후에 측정한 UV-vis 스펙트럼(A)과, 도핑 후 800시간 동안 대기중에 노출한 후에 측정한 UV-vis 스펙트럼(B)이다.
도 5는 실시예 6, 12, 18, 24, 30 및 비교예 12, 18, 24, 30 에서 제조한 고분자 열전 소자이다.
1 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) Au4f and Cl2p spectrum of the surface of a polymer thermoelectric material according to Example 3. FIG.
2 is a GIWAXS two-dimensional image of a polymer thermoelectric material prepared in Examples and Comparative Examples.
3 is a TEM image of a polymer thermoelectric material prepared in Examples and Comparative Examples. Specifically, (a) is an undoped P3HT film (top view), (b) is a polymer thermoelectric material of Comparative Example 5 (top view), (c) is a polymer thermoelectric material of Example 5 (top view) view), (d) is a TEM image of the polymer thermoelectric material of Comparative Example 4 (cross-sectional), and (e) is a TEM image of the polymer thermoelectric material (cross-sectional) of Example 3.
4 is a UV-vis spectrum (A) measured immediately after doping of the polymer thermoelectric material prepared in Examples and Comparative Examples, and UV-vis spectrum (B) measured after exposure to the air for 800 hours after doping.
5 is a polymer thermoelectric device prepared in Examples 6, 12, 18, 24, 30 and Comparative Examples 12, 18, 24, and 30.

이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through embodiments or examples including the accompanying drawings. However, the following specific examples or examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used in the description herein is for the purpose of effectively describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention.

또한 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, in the present specification, the unit used without special mention is based on the weight, for example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and unless otherwise defined, the weight % is the composition of any one component of the entire composition. It means % by weight in

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Also, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used herein includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the form and width of the defined range, all values defined therein, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.

이하, 본 발명의 일 양태에 따른 금(Au) 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a polymer thermoelectric material including gold (Au) nanoparticles according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

본 발명은 Au 이온이 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스(이하, 고분자 매트릭스) 및 Au 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재를 제공하며, 상기 Au 나노입자는 상기 고분자 매트릭스에 균일하게 분산되어 함입된 것을 특징으로 한다. The present invention provides a polymer thermoelectric material comprising a polythiophene-based conjugated polymer matrix (hereinafter referred to as a polymer matrix) doped with Au ions and Au nanoparticles, wherein the Au nanoparticles are uniformly dispersed in the polymer matrix. characterized in that

상기 고분자 매트릭스는 폴리티오펜계 공액 고분자에 Au 이온을 도핑하여 제조할 수 있으며, 상기 폴리티오펜계 공액 고분자는 P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), PDPPT(폴리(다이케토피롤로피롤-테르테오펜)), P3BT(폴리(3-부틸티오펜)), P3OT(폴리(3-옥틸티오펜)), P3DDT(폴리(3-도데실티오펜)) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게 P3HT(폴리(3-헥실티오펜))을 사용할 수 있다.The polymer matrix may be prepared by doping a polythiophene-based conjugated polymer with Au ions, and the polythiophene-based conjugated polymer is P3HT (poly(3-hexylthiophene)), PDPPT (poly(diketopyrrolopyrrole) -terteopene)), P3BT (poly(3-butylthiophene)), P3OT (poly(3-octylthiophene)), P3DDT (poly(3-dodecylthiophene)), etc. can be used, preferably P3HT (poly(3-hexylthiophene)) may be used.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au 이온은 상기 폴리티오펜계 공액 고분자를 도핑시킬 수 있는 Au 이온이라면 제한없이 사용할 수 있고, AuX4 -(X=할로겐)일 수 있고, 바람직하게는 AuCl4 -일 수 있다. 상기 Au 이온은 통상적이고 공지된 방법으로 이온화된 것일 수 있으며, 구체적으로 도핑과정에서 환원 및 루이스산 반응을 통해 이온화된 것일 수 있다. 그러나, 상기 폴리티오펜계 공액 고분자가 Fe이온에 의하여 도핑될 경우, 시간이 지남에 따라 도핑효과가 현저하게 떨어져 안정적인 열전특성을 구현할 수 없으므로 바람직하지 않다.According to an embodiment of the present invention, the Au ion may be used without limitation as long as it is an Au ion capable of doping the polythiophene-based conjugated polymer, and may be AuX 4 - (X = halogen), preferably AuCl 4 - can be. The Au ions may be ionized by a conventional and well-known method, and specifically, may be ionized through reduction and Lewis acid reaction in the doping process. However, when the polythiophene-based conjugated polymer is doped with Fe ions, the doping effect is remarkably deteriorated over time, which is not preferable because stable thermoelectric properties cannot be realized.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au이온은 상기 고분자 매트릭스의 표면에 위치하거나 또는 표면과 내부에 모두 위치하여, 상기 폴리티오펜계 공액 고분자를 도핑하는 것일 수 있다. 상기 고분자 매트릭스는 P형으로 도핑된 것이며, 이를 포함한 고분자 열전 소재는 P형 열전 소재일 수 있다. 상기 P형 열전 소재는 전극을 더 포함하여 열전 소자를 제조할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재를 포함하여 열전 소자를 제조할 경우, 도핑안정성이 우수하여 탁월한 열전성능을 장시간 발현할 수 있어 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the Au ions may be located on the surface of the polymer matrix, or located both on the surface and inside, to dope the polythiophene-based conjugated polymer. The polymer matrix is doped with P-type, and the polymer thermoelectric material including the same may be a P-type thermoelectric material. The P-type thermoelectric material may further include an electrode to manufacture a thermoelectric element. When a thermoelectric element is manufactured including the polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention, it is preferable because it has excellent doping stability and thus excellent thermoelectric performance can be expressed for a long time.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au 나노입자는 상기 고분자 매트릭스의 표면에, 구체적으로 표면과 내부에 위치할 수 있고, 구체적으로 상기 고분자 매트릭스의 고분자 결정(Crystalline) 구조 사이사이에 위치할 수 있다. 상기 Au 나노입자가 상기 고분자 결정구조의 사이에 위치함으로써, 상기 고분자 매트릭스의 전기전도 특성과 도핑안정성을 현저하게 향상시킬 수 있고, 이를 포함하는 고분자 열전 소재의 열전특성을 효과적으로 개선할 수 있다. 또한, 상기 Au 나노입자의 평균입경은 0.1 내지 10㎚, 구체적으로 1 내지 5㎚, 더욱 구체적으로 2 내지 3㎚일 수 있고, 상기 범위를 만족하는 Au 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재의 경우, 우수한 열전특성을 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Au nanoparticles may be located on the surface of the polymer matrix, specifically, the surface and the inside, and specifically located between the polymer crystal structures of the polymer matrix. have. Since the Au nanoparticles are positioned between the polymer crystal structures, the electrical conductivity and doping stability of the polymer matrix can be remarkably improved, and the thermoelectric properties of the polymer thermoelectric material including the Au nanoparticles can be effectively improved. In addition, the average particle diameter of the Au nanoparticles may be 0.1 to 10 nm, specifically 1 to 5 nm, more specifically 2 to 3 nm, in the case of a polymer thermoelectric material containing Au nanoparticles satisfying the above range, Excellent thermoelectric properties can be realized.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Au 나노입자는 상기 폴리티오펜계 공액 고분자를 도핑하여, 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스를 제조한 뒤에 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 Au 이온으로부터 형성될 수 있고, 더욱 구체적으로 AuCl4 -로부터 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 Au 이온의 일부가 환원되어 상기 Au 나노입자를 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Au nanoparticles may be formed after preparing a doped polythiophene-based conjugated polymer matrix by doping the polythiophene-based conjugated polymer. Specifically, it may be formed from the Au ions, and more specifically, it may be formed from AuCl 4 − . More specifically, a portion of the Au ions may be reduced to form the Au nanoparticles.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재 표면의 X선 광전자 분광 분석(XPS) 스펙트럼은 84.2±0.5, 86.8±0.5, 87.8±0.5 및 90.3±0.5 eV에서 Au의 피크를 가질 수 있다. 상기86.8±0.5(Au3+ Au4f7/2) 및 90.3±0.5(Au3+ Au4f5/2)eV에서의 피크는 Au 이온인 Au3+의 존재를 확인할 수 있고, 상기 84.2±0.5(Au4f7/2) 및 87.8±0.5(Au4f5/2) eV 에서의 피크는 Au 나노입자의 존재를 확인할 수 있다. 상기 X선 광전자 분광 분석(XPS)을 통해 얻은 Au4f 스펙트럼을 분석하여 상기 Au 이온 및 Au 나노입자의 존재를 확인하였다.According to an embodiment of the present invention, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the surface of the polymer thermoelectric material may have Au peaks at 84.2±0.5, 86.8±0.5, 87.8±0.5 and 90.3±0.5 eV. The peaks at the 86.8±0.5 (Au 3+ Au4f 7/2 ) and 90.3±0.5 (Au 3+ Au4f 5/2 ) eV can confirm the presence of Au 3+ that is an Au ion, and the 84.2±0.5 (Au4f 7/2 ) and 87.8±0.5 (Au4f 5/2 ) eV peaks can confirm the presence of Au nanoparticles. The presence of the Au ions and Au nanoparticles was confirmed by analyzing the Au4f spectrum obtained through the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재 표면의 X선 광전자 분광 분석(XPS) 스펙트럼은 198.5±0.5(Cl2p3/2) 및 200.0±0.5(Cl2p1/2) eV에서 Cl이온의 피크를 가질 수 있다. 상기86.8±0.5 및 90.3±0.5eV에서의 피크는 Cl 이온의 존재를 확인할 수 있으며, 상기 X선 광전자 분광 분석(XPS)을 통해 얻은 Cl2p 스펙트럼을 분석하였다.According to an embodiment of the present invention, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the surface of the polymer thermoelectric material shows the peaks of Cl ions at 198.5±0.5 (Cl2p 3/2 ) and 200.0±0.5 (Cl2p 1/2) eV. can have The peaks at 86.8±0.5 and 90.3±0.5 eV can confirm the presence of Cl ions, and the Cl2p spectrum obtained through the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was analyzed.

상기 고분자 매트릭스의 고분자 결정(Crystalline) 구조 사이에 위치한 Au 나노입자의 영향으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재의 결정면은 도핑되지 않은 폴리티오펜계 공액 고분자의 결정면과 비교할때 변화할 수 있으며, 이러한 결정면의 변화는 표면 결정 분석을 통해 확인할 수 있고, 예를 들어 GIWAXS(Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering)분석을 통해 확인할 수 있다.Due to the influence of Au nanoparticles located between the crystalline structures of the polymer matrix, the crystal plane of the polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention may change when compared to the crystal plane of the undoped polythiophene-based conjugated polymer. This change in the crystal plane can be confirmed through surface crystal analysis, for example, through GIWAXS (Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering) analysis.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재는 도핑되지 않은 폴리티오펜계 공액 고분자보다 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도가 감소할 수 있다. 일반적으로 500±1㎚ 영역의 피크는 neutral state peak이며 이는 고분자가 도핑되지 않음을 의미하고, 800±5㎚ 영역의 피크는 polaron-bipolaron state peak이며 이는 고분자가 도핑되었음을 의미한다. 상기 영역의 피크강도를 토대로 상기 도핑된 고분자 열전 소재의 도핑성을 분석하였을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재는 도핑되지 않은 폴리티오펜계 공액 고분자에 비하여 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도가 30% 이상, 구체적으로 60% 이상 감소함에 따라, 효과적인 열전특성을 구현할 수 있다. 바람직하게, 상기 고분자 열전 소재는 도핑 직후 측정한 UV-vis 스펙트럼에서 800±5㎚ 영역의 피크강도가 500±1㎚ 영역의 피크강도보다 높을 수 있으며, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재가 탁월한 도핑효율을 갖는다는 것을 의미할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the peak intensity of the polymer thermoelectric material in the 500±1 nm region in the UV-vis spectrum may be reduced than that of the undoped polythiophene-based conjugated polymer. In general, the peak in the 500±1 nm region is a neutral state peak, which means that the polymer is not doped, and the peak in the 800±5 nm region is a polaron-bipolaron state peak, which means that the polymer is doped. When the doping property of the doped polymer thermoelectric material was analyzed based on the peak intensity of the region, the polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention was 500 in the UV-vis spectrum compared to the undoped polythiophene-based conjugated polymer. As the peak intensity in the ±1nm region is reduced by 30% or more, specifically by 60% or more, effective thermoelectric properties can be realized. Preferably, in the polymer thermoelectric material, a peak intensity in the 800±5 nm region in the UV-vis spectrum measured immediately after doping may be higher than the peak intensity in the 500±1 nm region, which is the polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention. It may mean that the material has excellent doping efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재는 하기 식 1, 구체적으로 식 3을 만족할 수 있다.The polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention may satisfy Equation 1, specifically Equation 3 below.

[식 1] I800/Ii ≤ 1.1[Equation 1] I 800 /I i ≤ 1.1

[식 3] I800/Ii ≤ 1.05[Equation 3] I 800 /I i ≤ 1.05

(상기 식 1 및 식4에서 Ii는 도핑된 직후 측정된 상기 고분자 열전 소재의 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도이고, I800은 도핑된 뒤 800시간 방치후 측정된 상기 고분자 열전 소재의 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도이다.)(In Equations 1 and 4, I i is the peak intensity in the 500±1 nm region in the UV-vis spectrum of the polymer thermoelectric material measured immediately after doping, and I 800 is the polymer measured after doping and leaving for 800 hours. It is the peak intensity in the 500±1nm region in the UV-vis spectrum of the thermoelectric material.)

상기 식 1, 구체적으로 식 3을 만족하는 고분자 열전 소재의 경우, 도핑효과가 장시간동안 유지될 수 있고, 탁월한 도핑안정성 및 우수한 열전 특성을 구현할 수 있다. 또한, 이를 이용하여 우수한 도핑안정성 및 열전 특성을 갖는 열전 소자를 제조할 수 있다.In the case of a polymer thermoelectric material satisfying Equation 1, specifically Equation 3, the doping effect can be maintained for a long time, and excellent doping stability and excellent thermoelectric properties can be realized. In addition, it is possible to manufacture a thermoelectric device having excellent doping stability and thermoelectric properties using the same.

일반적으로 열전 소재의 열전 성능 평가는 ZT라는 무차원 성능지수를 사용하며 아래와 같이 표현할 수 있다.In general, thermoelectric performance evaluation of thermoelectric materials uses a dimensionless figure of merit called ZT, which can be expressed as follows.

ZT=S2σT/κZT=S 2 σT/κ

여기서 S는 제벡계수(Seebeck Coefficient)로 온도차에 의한 전위차를 나타내고 σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도를 나타낸다. ZT값이 클수록 열전 성능이 좋다고 말할 수 있으며, 이를 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고, 열전도도가 낮아야 한다. 그러나 박막의 경우 열전도도를 측정하기가 매우 까다롭고 어렵기 때문에, 역률(power factor(S2σ))만을 이용해 열전 성능을 평가하기도 한다.Here, S is the Seebeck coefficient, indicating the potential difference due to the temperature difference, σ is electrical conductivity, T is absolute temperature, and κ is thermal conductivity. It can be said that the higher the ZT value, the better the thermoelectric performance. However, since it is very difficult and difficult to measure the thermal conductivity of a thin film, thermoelectric performance is evaluated using only the power factor (S 2 σ).

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재는 도핑 직후 측정한 전기전도도(Electrical Conductivity)가 15 S/㎝이상, 구체적으로 50 S/㎝이상, 더욱 구체적으로 200 S/㎝이상일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 고분자 열전 소재의 경우, 우수한 열전성능을 갖는 열전 소자를 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재는 전기전도도(S/㎝)가 하기 식 2를 만족할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the polymer thermoelectric material may have an electrical conductivity measured immediately after doping of 15 S/cm or more, specifically 50 S/cm or more, and more specifically 200 S/cm or more. In the case of a polymer thermoelectric material satisfying the above range, a thermoelectric device having excellent thermoelectric performance can be manufactured. In addition, the polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention may have electrical conductivity (S/cm) satisfying Equation 2 below.

[식 2] E300/Ei ≥ 0.3[Equation 2] E 300 /E i ≥ 0.3

[식 4] E300/Ei ≥ 0.5[Equation 4] E 300 /E i ≥ 0.5

(상기 식 2에서 Ei는 도핑된 직후 측정한 상기 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도이고, E300은 도핑된 뒤 300시간 뒤에 측정한 상기 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도이다.)(In Equation 2, E i is the electrical conductivity of the thermoelectric element manufactured using the polymer thermoelectric material measured immediately after doping, and E 300 is the thermoelectric material manufactured using the polymer thermoelectric material measured 300 hours after doping. It is the electrical conductivity of the device.)

상기 식 2를 만족한다는 것은, 도핑된 직후 측정한 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도가 300시간 후에 측정한 전기전도도가 30% 이상 유지되는 것이고, 상기 식 4를 만족한다는 것은 50% 이상 유지된다는 것을 의미할 수 있다. 바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도는 도핑된 직후를 기준으로 300시간 후에 70% 이상 유지될 수 있다. 상기 식 2, 구체적으로 식 4를 만족하는 고분자 열전 소재의 경우 탁월한 도핑안정성을 나타내며, 이를 이용하여 제조한 열전 소자의 경우, 우수한 열전 특성을 구현할 수 있어 바람직하다.Satisfying Equation 2 means that the electrical conductivity of a thermoelectric element manufactured using a polymer thermoelectric material measured immediately after doping is maintained at 30% or more, and satisfying Equation 4 is 50 % or more. Preferably, the electrical conductivity of the thermoelectric device manufactured using the polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention may be maintained at 70% or more after 300 hours based on immediately after doping. A polymer thermoelectric material satisfying Equation 2, specifically Equation 4, exhibits excellent doping stability, and a thermoelectric device manufactured using the same is preferable because excellent thermoelectric properties can be realized.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재는 도핑 직후 측정한 역률(Power Factor)이 40μW/m1K2 이상, 구체적으로 70 μW/m1K2 이상일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 고분자 열전 소재의 경우, 우수한 열전성능을 갖는 열전 소자를 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polymeric material may be at least one thermoelectric power factor (Power Factor) The 40μW / K 1 m 2 or more, for example 70 μW / K 1 m 2 measured immediately after doping. In the case of a polymer thermoelectric material satisfying the above range, a thermoelectric device having excellent thermoelectric performance can be manufactured.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 열전 소재는 두께가 5 내지 350㎚, 구체적으로 10 내지 200㎚, 더욱 구체적으로 10 내지 100㎚일 수 있지만, 이에 제한되지 않으며 제조하고자 하는 최종 제품에 따라 상기 두께는 조절될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the polymer thermoelectric material may have a thickness of 5 to 350 nm, specifically 10 to 200 nm, and more specifically 10 to 100 nm, but is not limited thereto and depends on the final product to be manufactured. The thickness can be adjusted.

본 발명은 상술한 고분자 열전 소재를 포함하는 열전 소자를 제공할 수 있다. 상기 열전 소자는 통상적이거나 공지된 구조를 가질 수 있고, 구체적으로 P형 열전 소재인 상술한 고분자 열전 소재를 포함하는 열전 소재 어레이; 및 상기 열전 소재 어레이를 전기적으로 연결하는 전극;을 포함하는 열전 소자를 제공한다. 필요에 따라 접촉 열전도체층, 열전 소재 어레이 사이의 빈 공간을 충진하는 충진물질 등을 더 포함할 수 있다. 상기 전극은 금(Au), 알루미늄(Al), ITO(indium-tin oxide)), IZO(Indium Zinc Oxide) 및 은(Ag) 등을 사용할 수 있고 구체적으로 금을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.The present invention may provide a thermoelectric device including the above-described polymer thermoelectric material. The thermoelectric element may have a conventional or known structure, and may include a thermoelectric material array including the above-described polymer thermoelectric material, which is specifically a P-type thermoelectric material; and an electrode electrically connecting the thermoelectric material array. If necessary, it may further include a contact thermal conductor layer, a filling material for filling the empty space between the thermoelectric material array, and the like. As the electrode, gold (Au), aluminum (Al), ITO (indium-tin oxide)), IZO (indium zinc oxide), silver (Ag), etc. may be used, and specifically gold may be used, but is not limited thereto. .

이하, 본 발명의 일 양태에 따른 금(Au) 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재의 제조방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a polymer thermoelectric material including gold (Au) nanoparticles according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

본 발명은 폴리티오펜계 공액 고분자 필름을 제조하는 단계; AuCl3를 포함하는 도핑용액으로 상기 폴리티오펜계 공액 고분자 필름을 도포하는 단계; 및 Au 이온이 부분 환원되어 Au 나노입자가 형성되는 단계;를 포함하는 고분자 열전 소재의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법에서 사용한 원료 및 제조된 고분자 열전 소재에 대한 구체적인 설명 및 화합물의 예는 상술한 바와 동일하므로 생략한다.The present invention comprises the steps of preparing a polythiophene-based conjugated polymer film; applying the polythiophene-based conjugated polymer film with a doping solution containing AuCl 3 ; and Au ions are partially reduced to form Au nanoparticles. Specific descriptions of the raw material used in the manufacturing method and the manufactured polymer thermoelectric material and examples of compounds are the same as described above, and thus will be omitted.

상기 폴리티오펜계 공액 고분자 필름을 제조하는 단계는 상기 폴리티오펜계 공액 고분자를 용매에 용해하여 고분자 용액을 제조하여 이를 필름으로 제조하는 것이다. 구체적으로 상기 용매는 상기 폴리티오펜계 공액 고분자를 용해시킬 수 있다면, 통상적으로 사용하거나 공지된 것이라면 제한되지 않고 사용가능하며, 예를들면 클로로벤젠을 사용할 수 있다. 상기 고분자 용액의 농도는 0.1 내지 10 중량%, 1 내지 5 중량%일 수 있지만, 제조하고자 하는 필름의 두께에 따라서 상기 농도를 조절할 수 있다. 상기 고분자 용액을 필름으로 제조하는 과정은 통상적으로 사용하거나 공지된 방법에 따라 제조될 수 있으며, 비제한적인 예로 스핀코팅법을 사용할 수 있다. 상기 코팅된 고분자 용액을 건조하여 필름으로 제조할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.The step of preparing the polythiophene-based conjugated polymer film is to prepare a polymer solution by dissolving the polythiophene-based conjugated polymer in a solvent to prepare a film. Specifically, the solvent can be used without limitation as long as it can dissolve the polythiophene-based conjugated polymer, and is not limited as long as it is commonly used or known, for example, chlorobenzene may be used. The concentration of the polymer solution may be 0.1 to 10% by weight or 1 to 5% by weight, but the concentration may be adjusted according to the thickness of the film to be prepared. The process for preparing the polymer solution into a film may be conventionally used or may be prepared according to a known method, and a spin coating method may be used as a non-limiting example. The coated polymer solution may be dried to prepare a film, but is not limited thereto.

이어서, 제조된 폴리티오펜계 공액 고분자 필름은 열처리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 구체적으로 120℃이상, 구체적으로 130 내지 170℃, 더욱 구체적으로 140 내지 160℃의 온도에서 열처리하여 제조될 수 있다. 상기 온도범위에서 열처리할 경우, 제조된 폴리티오펜계 공액 고분자 필름의 고분자 결정화도가 높아질 수 있으며, 이를 통해 더욱 향상된 도핑효율 및 도핑안정성을 갖는 고분자 열전 소재를 제조할 수 있다.Then, the prepared polythiophene-based conjugated polymer film may be further subjected to a heat treatment step. Specifically, it may be prepared by heat treatment at a temperature of 120 °C or higher, specifically 130 to 170 °C, more specifically 140 to 160 °C. When the heat treatment is performed in the above temperature range, the degree of crystallinity of the polymer of the prepared polythiophene-based conjugated polymer film may be increased, and thus, a polymer thermoelectric material having further improved doping efficiency and doping stability may be manufactured.

다음으로 도핑용액을 제조하여 상기 필름에 도포하는 단계를 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 도핑용액은 AuX3(X=할로겐) 및 이를 용해시킬 수 있는 용매를 포함하는 용액일 수 있고, AuX3(X=할로겐)는 구체적으로 AuCl3일 수 있다.Next, a step of preparing a doping solution and applying it to the film may be performed. Specifically, the doping solution may be a solution containing AuX 3 (X=halogen) and a solvent capable of dissolving it, and AuX 3 (X=halogen) may be specifically AuCl 3 .

상기 용매는 도핑용액에 통상적으로 사용되거나 공지된 것으로 AuX3(X=할로겐)를 용해시킬 수 있는 것이라면 크게 제한없이 사용할 수 있으며, 예로 나이트로메테인(nitromethane) 또는 아세토니트릴(acetonitrile) 등을 사용할 수 있다.The solvent is commonly used or known in the doping solution and can be used without much limitation as long as it can dissolve AuX 3 (X = halogen), for example, nitromethane or acetonitrile, etc. can be used. can

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 도핑용액은 AuCl3을 0.1 내지 20 mM, 구체적으로 1 내지 15 mM, 더욱 구체적으로 2 내지 10 mM 또는 2 내지 6 mM의 농도로 포함할 수 있다. 상기 범위를 만족하는 도핑용액을 이용하여 상기 고분자 열전 소재를 제조할 경우, 탁월한 도핑안정성을 효과적으로 구현할 수 있으며, 최적의 열전성능을 나타낼 수 있다. 또한, 이를 이용하여 현저한 열전성능을 발현하는 열전 소자를 제조할 수 있어 매우 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the doping solution may contain AuCl 3 at a concentration of 0.1 to 20 mM, specifically 1 to 15 mM, more specifically 2 to 10 mM, or 2 to 6 mM. When the polymer thermoelectric material is manufactured using a doping solution satisfying the above range, excellent doping stability can be effectively implemented and optimal thermoelectric performance can be exhibited. In addition, it is very preferable because it is possible to manufacture a thermoelectric element exhibiting remarkable thermoelectric performance by using the same.

상기 도핑용액을 통상적으로 사용하거나 공지된 방법에 의하여 상기 폴리티오펜계 공액 고분자 필름에 도포할 수 있고, 비제한적인 예로, 함침법, 스핀코팅법 또는SqP법 등을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.The doping solution may be conventionally used or applied to the polythiophene-based conjugated polymer film by a known method, and non-limiting examples include, but not limited to, an impregnation method, a spin coating method, or a SqP method. does not

상기 도핑용액이 도포된 다음, 하기 단계를 거쳐 AuCl3을 도펀트로하여 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 필름이 제조될 수 있다.After the doping solution is applied, a polythiophene-based conjugated polymer film doped with AuCl 3 as a dopant can be prepared through the following steps.

a) 폴리티오펜계 공액 고분자에서 AuCl3의 환원반응 [AuCl3(aq) + e- -> AuCl2 + Cl-] a) Reduction of AuCl 3 in polythiophene-based conjugated polymer [AuCl 3 (aq) + e - -> AuCl 2 + Cl - ]

b) 루이스 산반응 [AuCl3(aq) + Cl- -> AuCl4 -]b) Lewis acid reaction [AuCl 3 (aq) + Cl - -> AuCl 4 - ]

c) 양전하의 폴리티오펜계 공액 고분자와 AuCl4 -의 도핑과정 및c) Doping process of positively charged polythiophene-based conjugated polymer and AuCl 4 − and

d) AuCl4 -의 부분환원 과정 [AuCl4 - + 3e- -> Au 나노입자]d) AuCl 4 - partial reduction process of [AuCl 4 - + 3e - - > Au nanoparticle;

상기 a) 내지 d)단계를 통해 AuCl4 -이 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스 및 Au 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재를 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 d) 단계에서 Au 나노입자가 제조됨으로써, 상기 폴리티오펜계 공액 고분자의 결정 도메인(crystal domain) 배열이 무질서해질 수 있다. 나아가 상기 도핑용액의 농도가 높아짐에 따라 상기 무질서함은 상승할 수 있다. 이에 따라 더욱 향상된 도핑안정성 및 탁월한 열전성능을 갖는 고분자 열전 소재 및 열전 소자를 제조할 수 있다.Through steps a) to d), AuCl 4 - A polymer thermoelectric material including a polythiophene-based conjugated polymer matrix doped with and Au nanoparticles can be prepared. Specifically, by preparing the Au nanoparticles in step d), the crystal domain arrangement of the polythiophene-based conjugated polymer may become disordered. Furthermore, as the concentration of the doping solution increases, the disorder may increase. Accordingly, it is possible to manufacture a polymer thermoelectric material and a thermoelectric device having improved doping stability and excellent thermoelectric performance.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 금(Au) 나노입자를 포함하는 고분자 열전 소재 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.Hereinafter, a polymer thermoelectric material including gold (Au) nanoparticles according to the present invention and a method for manufacturing the same will be described in more detail through examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

[실시예 1 내지 5][Examples 1 to 5]

클로로벤젠에 P3HT(폴리(3-헥실티오펜))이 2중량%의 농도로 포함된 고분자 용액을 제조하여 스핀코팅하여 50 ㎚ 두께의 P3HT 필름을 제조하고, 150℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 아세토니트릴에 AuCl3가 0.5, 1, 2.5, 5 및 10 mM 농도로 포함된 도핑용액을 상기 P3HT 필름상에 스핀코팅하여, 최종적으로 고분자 열전 소재를 제조하였다.A polymer solution containing P3HT (poly(3-hexylthiophene)) in chlorobenzene at a concentration of 2% by weight was prepared and spin-coated to prepare a P3HT film with a thickness of 50 nm, and heat-treated at 150° C. for 1 hour. A doping solution containing AuCl 3 at concentrations of 0.5, 1, 2.5, 5 and 10 mM in acetonitrile was spin-coated on the P3HT film to finally prepare a polymer thermoelectric material.

[비교예 1 내지 5][Comparative Examples 1 to 5]

상기 실시예에서 AuCl3 대신 FeCl3를 사용하여 도핑용액을 제조했다는 점을 제외하고 실시예와 동일하게 수행하였다.In the above example, FeCl 3 was used instead of AuCl 3 to prepare a doping solution, and the same procedure as in Example was performed.

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 고분자 열전 소재를 UV-vis, XPS 및 GIWAXS 분석을 진행하였다. 실시예 3에 따른 고분자 열전 소재의 표면을 X선 광전자 분광 분석(XPS)한 Au4f 및 Cl2p 스펙트럼을 도 1에 도시하였다. 도 1에서 보는 바와 같이, Au4f 스펙트럼에서 84.2 및 87.8 eV 피크를 확인함으로써, Au 나노입자의 존재를 확인하였으며, 동시에 Au4f 스펙트럼에서 86.8 및 90.3eV 피크와 Cl2p 스펙트럼에서 198.5 및 200.0± eV 피크를 확인함으로써 Au 이온의 존재 또한 확인할 수 있었다. 또한, 제조된 고분자 열전 소재의 결정구조를 분석하기 위하여 GIWAXS(Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering) 분석을 하였고, 제조된 고분자 열전 소재 표면의 미세구조를 분석하기 위하여 TEM 분석을 수행하였다. 상기 GIWAXS의 2차원 이미지는 도 2에, TEM 이미지는 도 3에 도시하였다. 실시예들을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 열전 소재는 Au 이온 및 Au 나노입자를 동시에 포함함으로써, 고분자 매트릭스인 P3HT의 결정구조를 변화시켜 더욱 향상된 도핑효율을 가지며, 나아가 탁월한 도핑안정성을 나타냄을 확인할 수 있었다.UV-vis, XPS and GIWAXS analysis was performed on the polymer thermoelectric materials prepared in Examples and Comparative Examples. The Au4f and Cl2p spectra obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the surface of the polymer thermoelectric material according to Example 3 are shown in FIG. 1 . As shown in FIG. 1, by confirming the 84.2 and 87.8 eV peaks in the Au4f spectrum, the presence of Au nanoparticles was confirmed, and at the same time, 86.8 and 90.3eV peaks in the Au4f spectrum and 198.5 and 200.0 ± eV peaks in the Cl2p spectrum were confirmed. The presence of Au ions was also confirmed. In addition, GIWAXS (Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering) analysis was performed to analyze the crystal structure of the prepared polymer thermoelectric material, and TEM analysis was performed to analyze the microstructure of the prepared polymer thermoelectric material surface. The two-dimensional image of the GIWAXS is shown in FIG. 2 and the TEM image is shown in FIG. 3 . Through the examples, the polymer thermoelectric material according to an embodiment of the present invention contains Au ions and Au nanoparticles at the same time, thereby changing the crystal structure of P3HT, a polymer matrix, to have improved doping efficiency, and furthermore, excellent doping stability. was able to confirm

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 고분자 열전 소재들에 대하여, 도핑직후에 측정한 UV-vis 스펙트럼(A)과, 도핑 후 800시간 동안 대기중에 노출한 후에 측정한 UV-vis 스펙트럼(B)을 도 4에 도시하였다. 도 4에서 보는 바와 같이, AuCl3를 사용한 실시예 1 내지 5의 고분자 열전 소재가 800시간 후에도 도핑안정성이 현저하게 우수하다는 것과, 특히, 2.5mM이상 농도의 도핑용액을 사용할 경우 더욱 탁월한 도핑안정성을 갖는다는 것을 확인하였다.For the polymer thermoelectric materials prepared according to Examples and Comparative Examples, UV-vis spectrum measured immediately after doping (A) and UV-vis spectrum measured after exposure to air for 800 hours after doping (B) is shown in FIG. 4 . As shown in FIG. 4 , the polymer thermoelectric materials of Examples 1 to 5 using AuCl 3 showed remarkably excellent doping stability even after 800 hours, and in particular, when a doping solution having a concentration of 2.5 mM or higher was used, more excellent doping stability was achieved. confirmed to have

[실시예 6 내지 35][Examples 6 to 35]

열전성능을 평가하기 위하여, 상기 실시예에서 제조한 고분자 열전 소재를 P형 열전 소재로 사용하고, 상기 열전 소재의 상부에 3 mm 지름의 금 전극을 열증착하여 단위 열전 소자를 제조하였다. 이때, 상기 증착된 두 금 전극은 15 mm의 거리로 분리되었으며, 상기 두 전극 사이의 온도 구배는 1 내지 10 ℃로 변화시켰다. 도 5에 제조된 열전 소자를 도시하였다. 또한 하기 표 1의 조건대로 상기 실시예에서 제조한 고분자 열전 소재를 대기중에 24, 48, 96, 144, 300시간 동안 노출시킨 뒤, 상기와 같은 제조방법으로 열전 소자를 제작하여 물성을 평가하였다.In order to evaluate the thermoelectric performance, the polymer thermoelectric material prepared in Example above was used as a P-type thermoelectric material, and a 3 mm diameter gold electrode was thermally deposited on the thermoelectric material to prepare a unit thermoelectric element. At this time, the deposited two gold electrodes were separated by a distance of 15 mm, and the temperature gradient between the two electrodes was changed to 1 to 10 °C. 5 shows the manufactured thermoelectric element. In addition, after exposing the polymer thermoelectric material prepared in the above Example to the atmosphere for 24, 48, 96, 144, and 300 hours in the atmosphere according to the conditions shown in Table 1 below, a thermoelectric element was manufactured by the same manufacturing method and the physical properties were evaluated.

[비교예 6 내지 35][Comparative Examples 6 to 35]

상기 실시예 6에서, 실시예가 아닌 비교예에서 제조한 고분자 열전 소재를 사용한 점을 제외하고 실시예 6과 동일하게 수행하여 열전소자를 제조하였다. 또한 하기 표 2의 조건대로 상기 비교예에서 제조한 고분자 열전 소재를 대기중에 24, 48, 96, 144, 300시간 동안 노출시킨 뒤, 상기와 같은 제조방법으로 열전 소자를 제작하여 물성을 평가하였다.In Example 6, a thermoelectric element was manufactured in the same manner as in Example 6, except that the polymer thermoelectric material prepared in Comparative Example, not Example, was used. In addition, after exposing the polymer thermoelectric material prepared in the comparative example to the atmosphere for 24, 48, 96, 144, and 300 hours according to the conditions shown in Table 2 below, a thermoelectric element was manufactured by the same manufacturing method as above and the physical properties were evaluated.

전기 전도도는 표준 반 데르 파우(van der Pauwe) 직류 4-탐침법(direct current four-probe method)으로 측정되었고, 제벡 계수는 ΔV/ΔT의 직선접합의 기울기로부터 측정되었다. 또한, 상기 전기 전도도(σ) 및 제벡계수(S)를 이용하여 역률(S2σ)을 계산하여 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.Electrical conductivity was measured by the standard van der Pauwe direct current four-probe method, and Seebeck coefficient was measured from the slope of the linear junction of ΔV/ΔT. In addition, the power factor (S 2 σ) was calculated using the electrical conductivity (σ) and the Seebeck coefficient (S), and is shown in Tables 1 and 2 below.

고분자
열전 소재
polymer
thermoelectric material
대기노출시간atmospheric exposure time Electrical Conductivity
(S/㎝)
Electrical Conductivity
(S/cm)
Seebeck Coefficient
(μV/K)
Seebeck Coefficient
(μV/K)
Power Factor
(μW/m1K2)
Power Factor
(μW/m 1 K 2 )
실시예 6Example 6 실시예 1
(AuCl3, 0.5 mM)
Example 1
(AuCl 3 , 0.5 mM)
0 hr0 hours 16.116.1 163163 42.542.5
실시예 7Example 7 24 hr24 hours 13.613.6 169169 38.838.8 실시예 8 Example 8 48 hr48 hours 13.113.1 171171 33.533.5 실시예 9Example 9 96 hr96 hours 11.111.1 160160 32.532.5 실시예 10Example 10 144 hr144 hours 10.010.0 171171 27.427.4 실시예 11Example 11 300 hr300 hr 5.95.9 187187 20.620.6 실시예 12Example 12 실시예 2
(AuCl3, 1 mM)
 
Example 2
(AuCl 3 , 1 mM)
0 hr0 hours 54.854.8 120120 78.978.9
실시예 13Example 13 24 hr24 hours 56.556.5 116116 76.076.0 실시예 14Example 14 48 hr48 hours 58.158.1 118118 72.972.9 실시예 15Example 15 96 hr96 hours 58.258.2 112112 81.081.0 실시예 16Example 16 144 hr144 hours 52.152.1 121121 75.875.8 실시예 17Example 17 300 hr300 hr 42.042.0 132132 73.273.2 실시예 18Example 18 실시예 3
(AuCl3, 2.5 mM) 
 
 
 
Example 3
(AuCl 3 , 2.5 mM)


0 hr0 hours 207207 73.973.9 110110
실시예 19Example 19 24 hr24 hours 207207 75.975.9 119119 실시예 20Example 20 48 hr48 hours 202202 72.272.2 105105 실시예 21Example 21 96 hr96 hours 209209 72.172.1 109109 실시예 22Example 22 144 hr144 hours 196196 74.474.4 105105 실시예 23Example 23 300 hr300 hr 164164 75.375.3 9393 실시예 24Example 24 실시예 4
(AuCl3, 5 mM) 
 
 
 
Example 4
(AuCl 3 , 5 mM)


0 hr0 hours 313313 48.048.0 72.172.1
실시예 25Example 25 24 hr24 hours 290290 49.949.9 72.272.2 실시예 26Example 26 48 hr48 hours 276276 53.353.3 67.967.9 실시예 27Example 27 96 hr96 hours 265265 49.649.6 75.375.3 실시예 28Example 28 144 hr144 hours 256256 57.057.0 80.680.6 실시예 29Example 29 300 hr300 hr 225225 54.554.5 66.866.8 실시예 30Example 30 실시예 5
(AuCl3, 10 mM) 
 
 
Example 5
(AuCl 3 , 10 mM)

0 hr0 hours 272272 34.034.0 31.431.4
실시예 31Example 31 24 hr24 hours 249249 38.838.8 37.537.5 실시예 32Example 32 48 hr48 hours 229229 42.242.2 37.737.7 실시예 33Example 33 96 hr96 hours 211211 40.640.6 37.637.6 실시예 34Example 34 144 hr144 hours 197197 46.846.8 36.436.4 실시예 35Example 35 300 hr300 hr 148148 76.776.7 81.781.7

고분자
열전 소재
polymer
thermoelectric material
대기노출시간atmospheric exposure time Electrical Conductivity
(S/㎝)
Electrical Conductivity
(S/cm)
Seebeck Coefficient
(μV/K)
Seebeck Coefficient
(μV/K)
Power Factor
(μW/m1K2)
Power Factor
(μW/m 1 K 2 )
비교예 6Comparative Example 6 비교예 1
(FeCl3, 0.5 mM)
 
 
 
Comparative Example 1
(FeCl 3 , 0.5 mM)


0 hr0 hours N/AN/A N/AN/A N/AN/A
비교예 7Comparative Example 7 24 hr24 hours N/AN/A N/AN/A N/AN/A 비교예 8Comparative Example 8 48 hr48 hours N/AN/A N/AN/A N/AN/A 비교예 9Comparative Example 9 96 hr96 hours N/AN/A N/AN/A N/AN/A 비교예 10Comparative Example 10 144 hr144 hours N/AN/A N/AN/A N/AN/A 비교예 11Comparative Example 11 300 hr300 hr N/AN/A N/AN/A N/AN/A 비교예 12Comparative Example 12 비교예 2
(FeCl3, 1 mM)
Comparative Example 2
(FeCl 3 , 1 mM)
0 hr0 hours 0.450.45 314314 4.444.44
비교예 13Comparative Example 13 24 hr24 hours 0.230.23 312312 2.202.20 비교예 14Comparative Example 14 48 hr48 hours 0.150.15 313313 1.471.47 비교예 15Comparative Example 15 96 hr96 hours 0.0940.094 N/AN/A N/AN/A 비교예 16Comparative Example 16 144 hr144 hours 0.0650.065 N/AN/A N/AN/A 비교예 17Comparative Example 17 300 hr300 hr 0.0230.023 N/AN/A N/AN/A 비교예 18Comparative Example 18 비교예 3
(FeCl3, 2.5 mM)
Comparative Example 3
(FeCl 3 , 2.5 mM)
0 hr0 hours 13.713.7 190190 49.549.5
비교예 19Comparative Example 19 24 hr24 hours 9.829.82 195195 37.337.3 비교예 20Comparative Example 20 48 hr48 hours 6.816.81 199199 27.027.0 비교예 21Comparative Example 21 96 hr96 hours 4.624.62 207207 19.819.8 비교예 22Comparative Example 22 144 hr144 hours 3.003.00 235235 16.616.6 비교예 23Comparative Example 23 300 hr300 hr 1.601.60 254254 10.310.3 비교예 24Comparative Example 24 비교예 4
(FeCl3, 5 mM)
Comparative Example 4
(FeCl 3 , 5 mM)
0 hr0 hours 84.784.7 113113 108.0108.0
비교예 25Comparative Example 25 24 hr24 hours 51.851.8 123123 78.478.4 비교예 26Comparative Example 26 48 hr48 hours 39.339.3 139139 75.975.9 비교예 27Comparative Example 27 96 hr96 hours 28.628.6 148148 62.662.6 비교예 28Comparative Example 28 144 hr144 hours 19.019.0 158158 47.447.4 비교예 29Comparative Example 29 300 hr300 hr 5.65.6 176176 21.521.5 비교예 30Comparative Example 30 비교예 5
(FeCl3, 10 mM)
Comparative Example 5
(FeCl 3 , 10 mM)
0 hr0 hours 154.0154.0 7373 83.983.9
비교예 31Comparative Example 31 24 hr24 hours 105.0105.0 108108 122.0122.0 비교예 32Comparative Example 32 48 hr48 hours 70.870.8 111111 85.785.7 비교예 33Comparative Example 33 96 hr96 hours 49.149.1 126126 78.078.0 비교예 34Comparative Example 34 144 hr144 hours 30.630.6 138138 58.358.3 비교예 35Comparative Example 35 300 hr300 hr 12.612.6 175175 38.638.6

상기 표 1 및 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 열전성능이 매우 우수하다는 것을 확인하였다. 특히, 상기 실시예 3의 고분자 열전소재를 이용한 실시예 18 내지 23의 경우 가장 우수한 열전특성(역률)을 나타냈으며, 300시간동안 대기중에 방치되어도 전기전도도가 도핑직후를 기준으로 79% 유지한다는 점에서, 본 발명에 따른 고분자 열전 소재의 현저한 도핑효율 및 도핑안정성을 확인할 수 있었다.이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.As shown in Tables 1 and 2, it was confirmed that the thermoelectric performance of the thermoelectric device manufactured using the polymer thermoelectric material manufactured according to an embodiment of the present invention was very excellent. In particular, Examples 18 to 23 using the polymer thermoelectric material of Example 3 showed the best thermoelectric properties (power factor), and even if left in the air for 300 hours, electrical conductivity was maintained at 79% based on immediately after doping. , it was possible to confirm the remarkable doping efficiency and doping stability of the polymer thermoelectric material according to the present invention. Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention can use various changes, modifications and equivalents, and It is clear that the example can be applied with appropriate modifications. Accordingly, the above description is not intended to limit the scope of the present invention, which is defined by the limits of the following claims.

Claims (14)

Au 이온이 도핑된 폴리티오펜계 공액 고분자 매트릭스 및 Au 나노입자를 포함하고, 상기 Au 나노입자는 상기 고분자 매트릭스에 균일하게 분산되어 함입된 것을 특징으로 하는 고분자 열전 소재.A polymer thermoelectric material comprising a polythiophene-based conjugated polymer matrix doped with Au ions and Au nanoparticles, wherein the Au nanoparticles are uniformly dispersed and impregnated in the polymer matrix. 제 1항에 있어서,
상기 Au 이온은 AuCl4 -인 고분자 열전 소재.
The method of claim 1,
The Au ions are AuCl 4 - Polymer thermoelectric material.
제 1항에 있어서,
상기 고분자 열전 소재 표면의 X선 광전자 분광 분석(XPS) 스펙트럼은 84.2±0.5, 86.8±0.5, 87.8±0.5 및 90.3±0.5 eV에서 Au의 피크를 가지는 고분자 열전 소재.
The method of claim 1,
The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the surface of the polymer thermoelectric material is a polymer thermoelectric material having Au peaks at 84.2±0.5, 86.8±0.5, 87.8±0.5 and 90.3±0.5 eV.
제 1항에 있어서,
상기 고분자 열전 소재 표면의 X선 광전자 분광 분석(XPS) 스펙트럼은 198.5±0.5 및 200.0±0.5 eV에서 Cl의 피크를 가지는 고분자 열전 소재.
The method of claim 1,
The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the surface of the polymer thermoelectric material has Cl peaks at 198.5±0.5 and 200.0±0.5 eV.
제 1항에 있어서,
상기 Au이온 및 Au 나노입자는 고분자 매트릭스의 표면에 위치하는 고분자 열전 소재.
The method of claim 1,
The Au ions and Au nanoparticles are polymer thermoelectric material located on the surface of the polymer matrix.
제 1항에 있어서,
상기 Au 나노입자의 평균입경은 1 내지 5㎚인 고분자 열전 소재.
The method of claim 1,
A polymer thermoelectric material having an average particle diameter of the Au nanoparticles of 1 to 5 nm.
제 1항에 있어서,
상기 Au 나노입자는 AuCl4 -로부터 형성된 고분자 열전 소재.
The method of claim 1,
The Au nanoparticles are AuCl 4 - A polymer thermoelectric material formed from.
제 1항에 있어서,
상기 고분자 열전 소재는 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크가 하기 식 1을 만족하는 고분자 열전 소재.
[식 1]
I800/Ii ≤ 1.1
(상기 식 1에서 Ii는 도핑된 직후 측정된 상기 고분자 열전 소재의 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도이고, I800은 도핑된 뒤 800시간 방치후 측정된 상기 고분자 열전 소재의 UV-vis 스펙트럼에서 500±1㎚ 영역의 피크강도이다.)
The method of claim 1,
The polymer thermoelectric material is a polymer thermoelectric material in which a peak in the 500 ± 1 nm region in the UV-vis spectrum satisfies Equation 1 below.
[Equation 1]
I 800 /I i ≤ 1.1
(In Equation 1, I i is the peak intensity in the 500±1 nm region in the UV-vis spectrum of the polymer thermoelectric material measured immediately after doping, and I 800 is the polymer thermoelectric material measured after doping and left for 800 hours. It is the peak intensity in the 500±1nm region in the UV-vis spectrum.)
제 1항에 있어서,
상기 고분자 열전 소재는 전기전도도(S/㎝)가 하기 식 2를 만족하는 고분자 열전 소재.
[식 2]
E300/Ei ≥ 0.3
(상기 식 2에서 Ei는 도핑된 직후 측정한 상기 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도이고, E300은 도핑된 뒤 300시간 뒤에 측정한 상기 고분자 열전 소재를 이용하여 제조한 열전 소자의 전기전도도이다.)
The method of claim 1,
The polymer thermoelectric material has electrical conductivity (S/cm) satisfying Equation 2 below.
[Equation 2]
E 300 /E i ≥ 0.3
(In Equation 2, E i is the electrical conductivity of the thermoelectric element manufactured using the polymer thermoelectric material measured immediately after doping, and E 300 is the thermoelectric material manufactured using the polymer thermoelectric material measured 300 hours after doping. It is the electrical conductivity of the device.)
제 1항에 있어서,
상기 고분자 열전 소재는 두께가 10 내지 100㎚인 고분자 열전 소재.
The method of claim 1,
The polymer thermoelectric material has a thickness of 10 to 100 nm.
제1항 내지 제 10항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 고분자 열전 소재를 포함하는 열전 소재 어레이; 및 상기 열전 소재 어레이를 전기적으로 연결하는 전극;을 포함하는 열전 소자.A thermoelectric material array comprising the polymer thermoelectric material according to any one of claims 1 to 10; and an electrode electrically connecting the thermoelectric material array. 폴리티오펜계 공액 고분자 필름을 제조하는 단계;
AuCl3를 포함하는 도핑용액으로 상기 폴리티오펜계 공액 고분자 필름을 도포하는 단계; 및
Au 이온이 부분 환원되어 Au 나노입자가 형성되는 단계;를 포함하는 고분자 열전 소재의 제조방법.
Preparing a polythiophene-based conjugated polymer film;
applying the polythiophene-based conjugated polymer film with a doping solution containing AuCl 3 ; and
A method of manufacturing a polymer thermoelectric material comprising a; Au ions are partially reduced to form Au nanoparticles.
제 12항에 있어서,
상기 폴리티오펜계 공액 고분자 필름은 120℃이상의 온도에서 열처리하여 제조된 고분자 열전 소재의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The polythiophene-based conjugated polymer film is a method of manufacturing a polymer thermoelectric material prepared by heat treatment at a temperature of 120 ℃ or more.
제 12항에 있어서,
상기 도핑용액은 AuCl3을 2 내지 10 mM의 농도로 포함하는 고분자 열전 소재의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The doping solution is AuCl 3 A method for producing a polymer thermoelectric material comprising a concentration of 2 to 10 mM.
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