한양대, 열→전기에너지 변환 소재 개발

[이데일리 신하영 기자] 한양대 연구진이 열에너지를 전기에너지로 변환하는 새로운 유기 열전 소재를 개발했다.

한양대는 정인환 유기나노공학과 교수팀과 장재영 에너지공학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 얻었다고 9일 밝혔다.

연구팀이 개발한 소재는 섬유처럼 가볍고 유연하면서도 우수한 전기 전도성을 갖고 있다. 향후 체온으로부터 전기를 생성, 웨어러블 전자기기의 전력원으로 활용될 수 있을 전망이다.


열전 소재는 일반적으로 열 전도성은 낮고, 전기 전도성은 높을수록 효율이 좋은 것으로 알려졌다. 금속이나 합금이 아니라 고분자가 열전 소재로 주목받는 이유다. 고분자는 가볍고 유연하다는 장점을 갖고 있다.


다만 고분자의 낮은 전기 전도성이 단점으로 꼽히는데 이를 개선하려면 강력한 도핑이 필요하다. 가장 많이 사용되는 첨가제인 염화철(FeCl₃)은 고농도 도핑 시 고분자의 결정 구조를 손상시켜 전기 전도성을 저해하는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 도핑 반응 위치를 고분자의 ‘주사슬(backbone)’에서 ‘곁사슬(pendant)’로 유도하는 새로운 전략을 제시했다.

연구팀은 주사슬과 공액(conjugation) 구조를 형성하는 특수 곁사슬을 지닌 신규 전자 받개(acceptor) 단량체를 개발하고, 이를 서로 다른 전자공여세기의 전자 주개(donor) 단량체와 융합해 세 가지 고분자를 합성했다. 그 결과 전자공여성이 강한 고분자는 주사슬과 강한 도핑 반응을 일으켜 결정 구조가 쉽게 무너졌다. 반면 전자공여성이 약한 고분자는 도핑 반응이 곁사슬에서 일어나 결정 구조를 유지하면서도 높은 도핑 농도에서도 우수한 열전 성능을 보였다.

정인환 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 고분자 합성 기술은 웨어러블 센서, 사물인터넷 등에 필요한 전력원을 공급하기 위한 고성능 열전 소재 개발에 널리 활용될 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저명 학술지(Advanced Functional Materials) 6월 5일 자로 게재됐다. 김혁준 박사와 김상범 박사과정생이 공동 1저자로, 표승옥 석박통합과정생이 공동 저자로 참여했으며 장재영 교수와 정인환 교수가 교신저자를 맡았다.