한국화학연구원이 수명이 길면서 가볍고 유연한 새로운 유기 열전소재 개발에 성공했다.
열전소재는 열을 가했을 때 전기가 발생하거나 반대로 전기를 주입했을 때 열을 내거나 냉각시켜주는 소재로 유기 열전소재는 무기 열전소재에 비해 가볍고 잘 휘어지며 상온에서 비교적 쉽고 저렴하게 만들 수 있다는 장점이 있다.
대표적인 유기 열전소재는 고분자 소재인 폴리티오펜(Polythiophen)으로 최근 전세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있으나 아직 폴리티오펜을 활용한 소재는 일주일만 지나면 열전 성능이 80% 이상 떨어지는 한계가 지적되고 있다.
화학연구원 조성윤 박사팀은 공기 중에 3주 이상 노출돼도 열전 성능을 유지하는 새로운 폴리티오펜 활용 소재를 개발했다. 공기 중에서 장시간 성능이 지속되는 폴리티오펜 열전소자 제작은 처음이다.
연구팀은 폴리티오펜 소재 위에 소량의 염화금을 녹인 용액을 도포해 폴리티오펜 소재와 염화금이 화학반응을 거치면서 독특한 고분자 결정 구조가 생성되도록 했다.
결정구조 속의 염화금 이온은 열전 성능을 높여주고 금 나노입자는 열전 성능이 오래 유지될 수 있게 도움을 주는 것으로 알려졌다.
또 연구팀은 가장 오래 성능이 지속될 수 있는 염화금 농도를 찾아 극소량만 도포해도 성능이 지속될 수 있도록 했다.
개발소재는 면적이 넓은 칼날이 붓처럼 소재를 바르는 슬롯 다이 프린팅으로 폴리티오펜 소재를 찍어낸 후 위에 염화금 용액을 도포하는 방식으로 제작하고 있다.
신문을 인쇄하듯 찍어내는 프린팅 공정을 활용하기 때문에 상온에서 간단하고 저렴하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 연구팀은 기존 염화철을 사용하면 대기 중에서 300시간 후 열전성능이 81% 감소하지만 신소재는 같은 시간 동안 열전성능이 18%만 감소된 것을 확인했다.
유기 열전소재는 가볍고 유연하기 때문에 웨어러블(Wearable) 기기, 스마트 센서, 사물인터넷(IoT) 등에 적용할 수 있고 자동차나 선박에 적용하면 폐열을 전기로 생산할 수도 있다.
연구결과는 에너지 소재 국제 학술지 나노 에너지 4월호에 게재됐다. (강윤화 선임기자)