화학연, ‘유연·저렴’ 새로운 열전 소재 개발

한국화학연구원이 가볍고 유연하면서 저렴하게 제조할 수 있는 새로운 유기 열전 소재를 개발했다.

화학연은 28일 조성윤 박사팀이 공기 중에 3주 이상 노출돼도 열전 성능을 유지하는 새로운 폴리티오펜 활용 소재를 개발했다고 밝혔다.

열전 소재는 열을 가했을 때 전기가 발생하는 소재 또는 역으로 전기를 주입했을 때 열을 발생시키거나 냉각시켜주는 소재로, 대표적으로 ‘폴리티오펜’이라는 고분자 소재가 있다.

고분자 소재는 보통 전기가 잘 흐르지 않는다. 하지만 폴리티오펜에 다른 물질을 첨가하면 열전 성능이 향상돼 최근 연구가 전세계적으로 진행되고 있다.

지금까지 폴리티오펜을 활용한 소재는 일주일만 지나도 열전 성능이 80% 이상 떨어지는 것으로 나타났다. 공기 중의 산소, 수분 등 때문이다.

이번에 조 박사 연구팀이 개발한 공기 중에서 장시간 성능이 지속되는 폴리티오펜 열전 소자 제작은 처음이다.

연구팀은 ‘폴리티오펜’ 소재 위에, 소량의 염화금을 녹인 용액을 도포했다. 폴리티오펜 소재와 염화금이 만나면 화학반응이 일어나 염화금 이온과 금 나노입자가 생성되면서 독특한 고분자 결정 구조가 만들어진다.

이 결정 구조 속 염화금 이온은 열전 성능을 높여주고, 금 나노입자는 열전 성능이 오래 유지될 수 있게 도움을 준다. 연구팀은 가장 오래 성능이 지속될 수 있는 염화금 농도를 찾아, 극소량만 도포해도 성능이 지속될 수 있도록 했다.

개발된 소재는 신문을 인쇄하듯 찍어내는 프린팅 공정으로 상온에서 간단하고 저렴하게 제작할 수 있고, 가볍고 유연하기 때문에 향후 웨어러블 기기, 스마트 센서, 사물인터넷 등에 적용할 수 있다.

또 차량이나 선박에 적용하면 폐열을 전기로 생산할 수 있다. 글로벌 마켓 리서치 회사인 IDTechEx의 시장조사에 따르면 열전소자 전체 세계 시장규모는 2018년 2억 7400만 달러에서 2022년에는 7억 4600만 달러로 연평균 약 54% 성장할 것으로 보인다.

조성윤 박사는 “개발된 소재는 전기전도성도 좋고 성능이 오래 지속돼 향후 다른 전극 소재로도 적용이 확장될 수 있다”며 “열전 성능과 지속성을 더욱 높이는 연구를 계속 수행하고 있으며, 이를 통해 향후 웨어러블 기기나 센서의 자가전원으로도 응용될 수 있기를 바란다”고 밝혔다.