아주대 공동 연구팀, 고성능 열전 에너지 변환 기술 개발

 

김종현 아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과 연구팀은 새로운 고분자 소재와 혼합용매 도핑 공정을 이용해 고성능 열전 에너지 변환 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

 

기존에 활용되고 있는 무기물 열-전 에너지 변환 소재의 에너지 변환 효율은 높지만, 소재의 독성과 딱딱한 물성, 공정의 복잡성 등으로 인해 응용 분야가 제한적이었다.

 

또 낮은 전기 전도도와 에너지 변환 효율 문제, 취약한 안전성 등 문제로 상용화에 어려움을 겪어왔다.

 

공동 연구팀은 이 같은 한계를 극복하고자 관련 전문가들과 머리를 맞댄 결과, 새로운 도핑 기술을 고분자에 적용해 세계 최고 수준의 전기 전도도(>2100 S/cm)와 열-전 변환 파워팩터(>260 uW/mK2)를 동시에 구현하는 데 성공했다.

 

이는 기존의 단독 용매 기반 도핑 공정으로 처리된 고분자의 전기 전도도와 파워팩터 대비 각각 4배, 5배 증가한 수치다. 또 해당 기술로 도핑된 고분자는 1천시간 이상의 대기 안정성을 보이며 내구성도 우수한 것으로 알려졌다.

 

이 밖에 연구팀은 이번에 발견한 혼합 용매 도핑 공정을 이미 개발됐거나 상용화된 p형과 n형 공액 고분자들에게 적용, 전기 전도도와 열-전 변환 성능이 크게 향상되는 것을 확인했다.

 

김종현 아주대 교수는 "이번에 개발한 혼합 용매 도핑 공정은 방법이 매우 간단하면서도 고분자의 전기 전도도와 열전 에너지 변환 출력, 안정성 등을 동시에 최적화할 수 있는 혁신적 기술”이라며 “이미 상용화된 다양한 p형 및 n형 고분자들과 도판트들에 대해서도 범용성을 가짐을 검증했기에, 웨어러블 기기의 전극 소재 등 고출력 유기 열전 소자의 개발에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

 

한편 이번 연구는 ‘공액 고분자의 전기 전도도와 열전 변환 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 도핑 효율 최적화 공정(Enhancing dopant diffusion for ultrahigh electrical conductivity and efficient thermoelectric conversion in conjugated polymers)’이란 제목으로 지난 18일 자 에너지 분야 국제 학술지에 게재됐다.

 

이번 연구엔 곽상규 고려대 화공생명공학과 교수, 김봉기 건국대 화학공학부 교수, 최현호 나노·신소재공학부 고분자공학전공 경상국립대 교수 연구팀 등도 함께 참여했다.