고분자로 만든 고성능 열전소재 개발
하지만 효율성이 낮아 그동안 상용되지 않았는데, 장 교수팀은 고분자 열전소재의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 최근 발표했다. 특히 플라스틱을 재료로 활용해 기존 대비 친환경적이고 저렴하다는 점에서 주목을 받는다.
열전소재로 사용될 재료는 반드시 전류가 잘 흘러야 하는데, 대부분의 고분자는 전기 전도성이 매우 낮아 이를 향상시키기 위해 도펀트(dopant)를 첨가한다. 제조과정의 간편성을 위해 고분자와 도펀트를 한꺼번에 혼합해야 하지만, 이 과정에서 소재의 가공성과 발전능력이 떨어지는 문제가 발생해 새로운 도핑기술 개발이 필요했다.
장 교수팀은 이번 연구에서 ‘전자주개(Donor)-전자받개(Acceptor)형 고분자(이하 D-A 고분자)’를 이용해 열전소재의 출력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시, 문제점을 해결했다. 전하이동도가 매우 높은 D-A 고분자와 도펀트를 한꺼번에 혼합해 도핑을 시도했고 이를 통해 간단하게 열전소재를 제작했다. 해당 열전소재는 동일한 방법으로 제조한 열전소재 중 최고의 열전출력인자(31.5 μWm-1K-2) 및 성능지수(0.043)를 보였다.
이번 연구의 가치는 D-A 고분자 기반 열전소재가 매우 높은 전기 생산능력을 보였고 나아가 유기 열전소재의 핵심 재료로도 활용할 수 있게 됐다는 점에 있다. 장 교수는 4월 7일 “열전소재가 상용화될 경우 체온으로 전기를 생산하고 이를 웨어러블 기기와 같은 각종 전자기기 구동에 사용할 수 있어 실생활에 많은 편리함을 가져다 줄 것이다”며 “또 해당 기술은 차세대 에너지 하베스팅 관련 분야에도 널리 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 이번 연구 결과는 (논문명 : Doping of donor-acceptor polymers with long side chains via solution mixing for advancing thermoelectric properties, 저자정보: 장재영 교수 (교신저자), 서의현 박사과정 (제1저자)) 교육부의 재원(기본연구지원사업-SGER)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 나노과학‧에너지 분야 세계적인 권위지인 「Nano Energy」 4월호에 게재됐다.
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디지털뉴스팀
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