아주대는 고려대·건국대·경상국립대 공동 연구팀과 고성능 열전 에너지 변환 소자를 개발했다고 19일 밝혔다. 최근 학계에서는 일상 속 버려지는 열에너지를 전기 에너지로 변환해 스마트폰과 사물 인터넷 등에 활용하는 '열전 에너지' 변환 기술에 관심이 집중되고 있다.
기존에 활용된 무기물 열전 에너지 변환 소재가 소재와 공정 면에서 여러 한계를 보이면서 공액 고분자를 변환 소재로 사용하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
공액 고분자는 유연성과 신축성이 우수하고 용액 공정이 가능해 공정 비용을 절감할 수 있으나, 취약한 안정성과 낮은 전기 전도도 등 문제로 상용화에 어려움을 겪었다. 공액 고분자를 활용해 열에너지를 전기 에너지로 변환하려면 분자 도핑(분자 형태의 도판트(반도체 소재의 전하밀도를 증폭시키기 위해 첨가되는 소재)를 사용해 유기 소재의 전하밀도를 증폭하는 기술)을 통해 고분자의 전기 전도도를 높여야 하는데, 역설적으로 전기 전도도의 증가는 열전 변환 성능의 주요 지표인 제벡계수를 떨어뜨리기 때문이다.
반대로 전기 전도도를 상대적으로 낮추면 열전 변환 출력 성능의 지표인 파워 팩터가 감소하는 등 상충되는 물성에 의해 생산 출력이 제한된다는 한계가 있었다.
이에 공동 연구팀은 새로운 고분자 소재와 이에 적합한 도핑 공정을 함께 개발하는 방식으로 복합적인 문제를 극복하고자 했다. 먼저 도판트가 고분자 박막 내부로 잘 침투할 수 있도록 돕는 공액 고분자를 설계 및 합성했다.
아울러 침투된 도판트를 공액 고분자 주사슬 근처로 유도해 사슬의 결정성을 개선할 수 있는 새로운 혼합용매 도핑 공정도 개발했다.
연구팀이 개발한 공액 고분자에 새로운 도핑 기술을 적용한 결과, 세계 최고 수준의 전기 전도도(>2100 S/cm)와 열전 변환 파워팩터(>260 uW/mK2)를 동시에 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 기존 단독 용매 기반 도핑 공정으로 처리된 고분자의 전기 전도도와 파워 팩터 대비 각각 4배, 5배 증가한 수치다.
연구팀은 개발한 혼합 용매 도핑 공정을 앞서 상용화된 공액 고분자들에 적용한 결과, 마찬가지로 전기 전도도와 열전 변환 성능이 향상된 것을 확인했다고 전했다.
김종현 아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과 교수는 "이번에 개발한 혼합 용매 도핑 공정은 활용 방법이 매우 간단하면서도 고분자의 전기 전도도와 열전 에너지 변환 출력 및 안정성을 동시에 최적화할 수 있는 혁신적 기술"이라며 "추후 웨어러블 기기의 전극 소재 등 고출력 유기 열전 소자 개발에 널리 활용될 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 에너지 분야 학술지 '줄'(Joule) 지난 18일 자에 게재됐다.