한양대학교 에너지공학과 장재영 교수 연구팀이 진공 여과 공법을 활용해 주변에서 버려지는 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 고성능 유기 열전소자를 아주 쉽고 빠르게 만드는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 이번 연구 성과는 기존 유기 열전소재의 고질적 문제인 두께와 도핑 균일성 문제를 동시에 해결함으로써, 산업용 폐열 회수는 물론 체온으로 구동하는 웨어러블 자가 발전 장치의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
열전소자는 양 끝의 온도 차이를 이용해 전기를 생산하는 장치다. 공장의 뜨거운 배관이나 자동차 엔진의 폐열은 물론, 사람의 체온과 주변 공기의 온도 차이에서도 전기를 뽑아낼 수 있다. 특히 유연한 플라스틱 소재를 활용한 유기 열전소자는 가볍고 잘 휘어져 스마트 워치나 헬스케어 패치 같은 웨어러블 기기에 적합하다. 하지만 그동안 실용적인 수준의 전기를 생산하기 위해 소자를 두껍게 만드는 과정에서 시간이 너무 오래 걸리거나, 재료가 고르게 섞이지 않아 성능이 떨어지는 한계가 있었다. 특히 반도체 특성을 띄는 플라스틱 소재인 공액고분자의 전기전도성을 향상하기 위해 도입되는 도핑 기술은 공액고분자의 용해도를 급격히 떨어뜨리는 문제는 가장 큰 걸림돌로 남았다.
장재영 교수팀은 용해도가 떨어진 도핑된 공액고분자가 용매 내에서 현탁액을 형성한다는 점에서 착안하여 큰 입자만을 필터로 걸러내는 진공 여과법을 새롭게 도입했다. 이 공법은 기존에 수 시간 이상 걸리던 소자 제작 시간을 단 몇 초로 단축하면서도, 여과 과정에서 성능에 방해가 되는 불순물을 제거하여 열전성능을 극대화했다.
이렇게 제작된 유기 열전소자는 약 60 μm 두께로 기존 대비 수백 배 이상 두꺼우면서도 종이처럼 유연하며, 균일한 도핑 상태를 유지하는 동시에 강력한 전력 생산 능력을 보였다. 연구팀은 이를 활용해 손가락 마디 크기의 열전발전기를 제작하여 15.2도의 온도차에서 2 μW의 출력 전력을 확보하여 LED 전구와 온습도계를 구동하는데 성공했다.
장재영 교수는 “이번 연구는 기존 유기 열전소재의 고질적 문제였던 용해도 한계와 도핑 불균일성 문제를 ‘여과’라는 단순한 공정으로 돌파했다는 점에서 과학적 의미가 크다”며, “여과 과정에서 불순을 제거하는 동시에 균일한 소자를 제작함으로써 소재의 열전성능을 극대화하고 제작 효율을 획기적으로 높일 수 있었다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원(나노·소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 및 재료과학 분야 세계적 학술지 「Advanced Energy Materials」에 3월 18일자 표지논문으로 게재됐다. 해당 논문 「Facile and Rapid Fabrication of Thermoelectric Legs via Filtration of Doped Polymer Suspension」에는 서의현 박사가 1저자로, 한양대 장재영 교수가 교신저자로 참여했다.