한양대, '열에너지→전기에너지' 유기 열전 소재 개발

곁사슬 도핑 전략으로 구조 안정성 확보 웨어러블 기기용 전력원 활용 기대

(왼쪽부터) 정인환 교수, 장재영 교수, 김혁준 박사, 김상범 박사과정생. (사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 한양대 유기나노공학과 정인환 교수와 에너지공학과 장재영 교수 공동 연구팀이 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 새로운 유기 열전 소재를 개발했다.

일반적으로 열전 소재는 열전도성이 낮고, 전기 전도성은 높을수록 효율이 좋다. 이에 고분자는 가볍고 유연하며 독성이 낮다는 장점을 지녀 유기 열전 소재로 주목받아 왔다.

하지만 고분자의 낮은 전기 전도성을 개선하기 위해서는 강력한 도핑(doping)이 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 형성할 수 있는 특수 곁사슬을 지닌 신규 전자 받개(acceptor) 단량체를 개발했다. 더해 이를 서로 다른 전자공여세기(electron-donating strength)의 전자 주개(donor) 단량체와 공중합해 세 가지 고분자를 합성했다.

사진은 한양대 정인환 교수, 장재영 교수 공동 연구팀이 개발한 고분자 소재의 열전 성능 향상 효과(왼쪽) 및 열전 소재의 곁사슬 도핑 구조와 반응 메커니즘. (사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

연구 결과, 전자공여성이 강한 고분자는 주사슬과 강한 도핑 반응을 일으켜 결정 구조가 쉽게 무너졌다. 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.

정 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.