건조해도 습해도 끄떡없는 신축성 열전 소자 개발
- 다양한 환경에서 작동하는 웨어러블 스마트 소자 적용 기대 -
□ 사막처럼 건조하거나 장마철만큼 습한 환경에서도 고성능을 그대로 유지하는 신축성 열전 소자가 개발됐다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 국민대학교 이현정 교수, 포항공과대학교 박태호 교수 공동 연구팀이 다양한 습도 및 온도에서도 일관된 성능을 보이는 신축성 이온성 유기 열전 소자를 개발했다고 밝혔다.
□ 열전 소자는 공장에서 나오는 폐열 또는 인체에서 발산되는 열과 같이 버려지고 있는 열을 전기 에너지로 전환하는 소자이다.
○ 특히 이온성 기반 열전 소자는 웨어러블 기기가 상용화되면서 높은 신축성 특성을 기반으로 몸에서 나는 열을 에너지로 바꿔 전자기기에 전원을 공급하는 열전발전에 대한 연구가 활발하다.
○ 하지만 기존 이온성 열전 소자는 대부분 70% 이상의 높은 습도조건에서 고성능을 보이며, 외부 습도에 따라 열전력* 특성이 계속 변화하는 한계점이 있다.
* 열전력(thermopower): 온도 차에 따라 형성되는 전압을 나타내는 요소로, 열전 소자의 주요 특성을 나타내는 척도.
□ 연구팀이 개발한 신축성 이온성 열전 소자는 10~90%의 다양한 습도 조건에서 거의 일관된 열전력 특성을 발휘했다.
○ 연구팀은 낮은 흡습성을 보이는 신축성 재료를 합성하는 데 성공했다. 먼저, 고분자의 곁사슬* 조절을 통해 가소제** 없이 고분자의 유리전이온도***를 낮춰 800% 이상의 높은 신축성을 확보했다. 또한 곁사슬의 조절로 얻어낸 고분자의 자유로운 움직임 등을 통해 이온결합 끊어짐과 재형성을 반복하는 자가회복을 가능하게 했다.
○ 이동 가능한 이온으로 카오트로픽**** 이온성 액체를 사용해 전기적 특성을 부여할 뿐만 아니라 재료의 낮은 흡습성을 확보했다.
* 곁사슬: 분자의 핵심 부분에 붙어있는 화학그룹. 분자의 특성과 반응성을 결정하는 한 요인
** 가소제: 물질의 점성을 줄이거나 소성을 줄이는 첨가제
*** 유리전이온도: 고분자가 딱딱한 유리질 상태에서 부드러운 고무 상태로 변화하기 시작하는 온도
***** 카오트로픽(chaotropic) : 물 분자의 수소 결합을 방해하여 물 분자 구조를 감소시킴
□ 연구팀은 한 가지 종류의 이온만 이동하는 단일이온 이동형 고분자 젤인, P형과 N형의 두 종류의 고분자 젤을 이용해 각각의 열전 소자보다 높은 열전 특성을 가지는 P/N접합 커플 소자를 구현했다.
○ 이렇게 제작한 열전소자는 50%의 반복적인 신축(伸縮) 조건과 여러 번의 자가회복 이후에도 일관된 특성을 보였으며, 최종적으로 5개의 P-N 형 열전 커플 소자는 약 0.8V의 전압을 형성하였다.
□ 본 연구의 공동 교신저자인 이현정, 박태호 교수는 “외부 환경에 구애받지 않는 신축성 이온성 열전 소자는 다양한 환경에서 사용되는 웨어러블 소자의 에너지원으로 활용될 수 있다”며, “추후 유연 에너지 열전소자 및 체온을 에너지원으로 활용하는 웨어러블 스마트 소자의 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
□ 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 및 기초연구실 지원사업으로 수행되었으며, 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)에 9월 15일 온라인 게재되었다.