웹툰사이트 토토사이트학교 유기나노공학과 정인환 교수와 에너지공학과 장재영 교수 공동 연구팀이 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 새로운 유기 열전 소재를 개발했다. 이번에 개발된 소재는 섬유처럼 가볍고 유연하면서도 우수한 전기 전도성을 지녀, 향후 체온으로부터 전기를 생성해 웨어러블 전자기기의 전력원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

열전 소재는 일반적으로 열전도성은 낮고, 전기 전도성은 높을수록 효율이 좋다. 이 때문에 기존에는 금속이나 합금이 주로 사용됐으나, 고분자는 가볍고 유연하며 독성이 낮다는 장점을 지녀 유기 열전 소재로 주목받아 왔다. 하지만 고분자의 낮은 전기 전도성을 개선하기 위해서는 강력한 도핑(doping)이 필요하며, 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 형성할 수 있는 특수 곁사슬을 지닌 신규 전자 받개(acceptor) 단량체를 개발하고, 이를 서로 다른 전자공여세기(electron-donating strength)의 전자 주개(donor) 단량체와 공중합하여 세 가지 고분자를 합성했다.

연구 결과, 전자공여성이 강한 고분자는 주사슬과 강한 도핑 반응을 일으켜 결정 구조가 쉽게 무너진 반면, 전자공여성이 약한 고분자는 도핑 반응(pendant doping)이 곁사슬에서 일어나 결정 구조를 유지하면서도 높은 도핑 농도에서도 우수한 열전 성능을 보였다.

이를 통해 연구팀은 도핑 메커니즘을 곁사슬 중심으로 유도하는 ‘펜던트 도핑(pendant doping)’ 구조가 고성능 유기 열전 소재 개발의 새로운 방향이 될 수 있음을 실험적으로 입증했다.

정인환 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 고분자 합성 기술은 웨어러블 센서, 사물인터넷 등에 필요한 전력원을 공급하기 위한 고성능 열전 소재 개발에 널리 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 과학기술정보통신부의 재원(나노·소재기술개발사업 – 소재글로벌영커넥트, 국가전략기술소재개발)과 한국연구재단의 재원(기초연구실지원사업)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 재료과학 분야 세계적인 권위지인 「Advanced Functional Materials」에 6월 5일 게재됐다.

해당 논문 ‘Distinctive Doping Behavior of Conjugated Polymers With Pendant-Side Conjugation for Enhanced Thermoelectric Properties’는 김혁준 박사와 김상범 박사과정생이 공동 1저자로, 표승옥 석박통합과정생이 공동저자로, 장재영 교수와 정인환 교수가 교신저자로 참여했다.