국내연구진, 자가 치유 능력 있는 고성능 이온성 열전소재 개발

왼쪽부터 제1저자 김동후 연구원, 장성연 교수. [울산과학기술원 제공]

사람 피부처럼 스스로 회복되고 늘어나면서도 고효율 열전 성능을 가진 소재를 국내 연구진이 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 장성연 교수팀과 국민대학교 응용화학부 전주원 교수팀이 공동으로 기계적·전기적 오류와 문제에 대한 자가 치유 능력을 지닌 '고성능 이온성 고분자 열전소재'를 개발했다고 6일 밝혔다.

연구팀에 따르면 열전소재는 열에너지를 전기로 바꾸는 친환경 소재다.

특히 이온성 고분자 열전소재는 소재 특유의 유연성과 주변 열에너지로 자가발전이 가능하다는 점 등으로 차세대 독립 전원으로서 기대받고 있다.

다만 기존 리튬 이온 전지와 비교해 열에너지의 변환 성능이 낮아 상용화를 위해선 많은 개선이 필요하고, 성능 개선을 위한 체계적인 과학적 분석이 부족하다.

이에 연구팀은 세계 최초로 소재 내부의 이온 열전 효과를 열역학적으로 분석해 열에너지 변환 성능을 최적화했다.

이온성 고분자 열전소재의 자가 치유 능력과 신축성[울산과학기술원 제공]

또 분자 간 강한 인력을 통해 찢어지거나 잘려도 이를 복구시킴으로써 기계적 성질과 전기적 성능을 유지하는 '자가 치유성 열전소재'를 활용했다.

이렇게 개발된 소재의 이온 열전 성능지수는 12.3으로 이전 최고 기록보다 70% 이상 높았다.

자가 치유 능력과 함께 물리적 성질도 우수해 원래 길이의 10배까지 늘일 수 있고, 50회 이상 반복된 내구성 실험에서도 성능 손실 없이 기계적·전기적 특성을 유지했다.

연구팀은 개발한 소재를 이용해 이온 열전 슈퍼커패시터(축전기) 소자를 제조하고, 여러 소자를 직렬 연결해 출력을 증폭시킨 모듈까지 제조했다.

이 모듈은 높은 전압 출력을 보여 열전소재가 실생활 속 여러 전자 기기를 작동시키는 데 충분한 전압을 만들어 낸다는 것을 입증했다고 연구팀은 설명했다.

장성연 교수는 "이번 연구는 기계적, 전기적 특성을 고려한 소재 설계부터 모듈을 통한 상용화 실증까지 모든 과정을 제시했다"며 "향후 이온성 열전소재를 개발하는 많은 연구자에게 길잡이가 되어 줄 것"이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 6월 5일 자로 공개됐다.

한편, 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.