체열로 전기를?..전기 10배 잘 통하는 ‘필름형태 열전소재’ 개발

[이데일리 김현아 기자]

김보미 제1저자(연구원)와 김봉수 UNIST 화학과 교수

본 연구에 사용된 고분자의 화학 구조와 분자량 정보: PDFD-T 고분자의 분자량에 따라 Low(L), Medium(M), High(H)로 나누었다. 추가로, PDFD-T와 도너 부분의 화학구조가 다른 PDFD-TT와 PDFD-DTT는 분자량이 작은 PDFD-T(L)과의 비교를 통해 열전성능에 대한 화학구조의 영향도 확인했다.

분자량에 따른 고분자의 도핑 전후의 결정성 변화 비교: 도핑 후, 분자량이 더 작은 PDFD-T(L)보다 분자량이 더 큰 PDFD-T(H)이 기존의 결정성을 더 잘 유지한다.

고분자의 분자량에 따른 전기적 특성과 열전 특성: 고분자의 분자량이 클수록 전기적 특성과 파워팩터가 향상되는 모습을 보여줬다. 특히 PDFD-T(H)가 도핑 후 최고 101 μW·m-1·K-2의 파워팩터를 보여줬다.

기존 소재에 비해 10배 이상 전기가 잘 통하는 필름 형태의 고분자 열전소재가 개발됐다. 필름처럼 얇고 유연하게 프린트해낼 수 있고 값도 저렴해 체열로 전기를 만들어 충전 없이 작동하는 전자기기 제조 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 화학과 김봉수 교수와 아주대(총장 최기주) 김종현 교수 공동 연구팀은 고분자 열전소재의 분자량을 늘리는 방법으로 전기전도도를 획기적으로 개선한 열전소재 필름을 만들었다고 13일 밝혔다.

열전소재는 소재 안과 밖에 온도 차(열)가 생기면 전하가 흐르는 힘이 생기는데, 온도 차가 크고 전하가 잘 흐를수록 열전발전이 잘된다.

수력발전에서 낙차가 크고(폭포 높이) 물이 많이 흐를수록 생산 전력량이 많은 원리와 흡사하다. 기존 고분자 열전소재는 온도 차는 크게 유지할 수 있지만 전하가 잘 흐르지 않아 상용화가 쉽지 않았다.

공동 연구팀은 기존의 필름 형태 열전소재가 첨가제(도핑제) 때문에 필름의 결정성이 떨어지는 문제점을 분자량을 늘리는 방법으로 해결했다. 결정성은 고분자 사슬들이 규칙적으로 배열된 성질로, 결정성이 높은 고분자 필름은 전하가 잘 통한다. 첨가제는 고분자 사슬 사이로 침투해 결정성을 떨어뜨리는 것으로 알려졌다.

연구팀은 “분자량이 큰 고분자 열전소재(PDFD-T) 필름은 분자량이 작은 열전소재보다 10배 이상 전기전도도가 향상됐다”고 밝혔다. 또 “열전소재가 생산할 수 있는 전력량을 직접적으로 가늠할 수 있는 지표인 파워팩터도 기존 소재보다 2배 이상 뛰어났다”고 설명했다.

김봉수 교수는 “고분자의 분자량이 열전 성능에 미치는 영향을 최초로 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다”며 “전기전도도를 개선할 수 있는 새로운 고분자 열전소재 설계 전략을 제시한 연구”라고 설명했다.

연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 아주대 분자과학기술학과 윤상은 연구원과 UNIST 화학과 김보미 연구원이 제1저자로 참여했다. 고려대, 한국외대, 중앙대 연구진도 함께했다. 연구결과는 5월 25일(현지 시각) 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 발표돼 정식 출판을 앞두고 있다.

논문명은 Impact of molecular weight on molecular doping efficiency of conjugated polymers and resulting thermoelectric performances)다.