한양대학교 장재영 에너지공학과 교수 연구팀이 플라스틱, 섬유 등의 원료로 사용되는 고분자를 재료로 전기 생산능력이 향상된 고성능 열전소재를 개발했다. 열전소재는 온도 차를 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환하는 재료를 의미한다. 온도차를 이용해 자발적으로 전류를 발생시킬 수 있어 공장의 폐열, 체온, 태양열 등을 모아 전력을 생산할 수 있다.
열전소재는 효율성이 낮아 상용되지 않았는데 연구팀이 고분자 열전소재의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 찾아낸 것이다. 특히 플라스틱을 재료로 활용해 기존 대비 친환경적이고 저렴하다는 점에서 주목된다.
열전소재로 사용될 재료는 전류가 잘 흘러야 한다. 대부분 고분자는 전기 전도성이 매우 낮아 이를 향상시키기 위해 도펀트를 첨가한다. 제조과정의 간편성을 위해 고분자와 도펀트를 한꺼번에 혼합해야 하나 이 과정에서 소재의 가공성과 발전능력이 떨어지는 문제가 발생해 새로운 도핑기술 개발이 필요했다.
연구팀은 ‘전자주개-전자받개형 고분자(D-A 고분자)’를 이용해 열전소재의 출력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시해 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.
D-A 고분자 기반 열전소재가 매우 높은 전기 생산능력을 보였고 나아가 유기 열전소재의 핵심 재료로도 활용할 수 있게 됐다는 점에서 의미있다. 장 교수는 “열전소재가 상용화될 경우 체온으로 전기를 생산하고 이를 웨어러블 기기와 같은 각종 전자기기 구동에 사용할 수 있어 실생활에 많은 편리함을 가져다 줄 것이다. 또 해당 기술은 차세대 에너지 하베스팅 관련 분야에도 널리 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
연구 결과는 나노과학 에너지 분야 세계적 권위지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 4월호에 게재됐다.

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