성균관대와 충남대 공동 연구팀은 버려지는 열을 전기로 바꾸는 '유기 열전소재'의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 새로운 소재 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
뉴시스 보도에 따르면, 이번 연구 결과는 재료·에너지 분야 최상위 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 게재됐다.
열전소재는 체온이나 기기에서 나오는 열을 전기로 변환해 전원 없이도 에너지를 생산할 수 있는 친환경 기술이다. 기존에 많이 쓰이던 무기물 기반 소재는 성능은 뛰어나지만 딱딱하고 독성이 있으며 높은 온도에서 복잡한 제조 공정을 거쳐야 했다.
반면 '유기 소재'는 웨어러블 기기나 휘는 전자제품에 활용할 수 있으나, 전기가 잘 흐르도록 만드는 과정에서 소재 구조가 쉽게 망가졌다.
이에 연구팀은 유기 열전소재의 분자 구조를 새롭게 설계했다. 전기가 잘 흐르도록 돕는 '첨가 물질(도판트)'이 소재와 자연스럽게 섞이도록 고분자 사슬에 물과 친한 성질을 가진 곁사슬을 비대칭 형태로 배치했다.
이를 통해 소재가 쉽게 흐트러지지 않으면서도 전기가 잘 흐르도록 균형을 맞췄다.
또한 연구팀은 전기 흐름에 영향을 주는 분자 단위의 특성을 단계적으로 조절해 어떤 구조가 성능 향상에 가장 효과적인지 비교·분석했다.
그 결과, 새롭게 설계한 고분자 소재는 높은 도판트 양을 적용해도 구조가 안정적으로 유지됐다. 또한 기존 유기 소재 대비 월등히 향상된 전기전도도와 열전 성능을 보였다.
특히 연구팀은 561.9 µW/mK²의 매우 높은 파워팩터를 달성하며 유기 열전소재 분야에서 세계 최고 수준의 성능을 입증했다.
강보석 성균관대 교수는 "이번 연구는 유연한 열전소재의 구조적 안정성과 전기적 성능을 동시에 확보할 수 있는 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.
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