아주대학교 연구진이 고분자의 전기 전도도를 극대화하는 새로운 개념의 혼합용매 도핑 공정을 개발했다.
19일 아주대에 따르면 김종현 교수(아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀이 새로운 고분자 소재와 혼합용매 도핑 공정을 이용해 세계 최고 수준의 고성능 열전에너지 변환 소자를 개발했다.
이번 연구에는 곽상규 고려대 교수(화공생명공학과), 김봉기 건국대 교수(화학공학부), 최현호 경상국립대 교수(나노·신소재공학부 고분자공학전공) 연구팀이 함께 참여했다. 아주대 윤상은 학생, 건국대 강영권 박사, 경상국립대 임재민 학생, 울산과학기술원 이지윤 박사는 공동 제1저자로 참여했다.
아주대 연구팀에서는 도핑 공정 개발을 맡아 진행했고 건국대, 경상국립대, 고려대 연구팀에서는 각각 ▶소재 합성 ▶전기적 분석 ▶시뮬레이션 연구를 담당했다.
광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지는 오랜 시간의 연구로 상용화됐다. 최근 일상 속 버려지는 열에너지를 전기에너지로 변환해 스마트폰과 사물 인터넷 들에 활용하는 열-전 에너지 변환 기술에 관심이 집중된다.
그러나 기존에 활용되는 무기물 열-전 에너지 변환 소재의 경우 에너지 변환 효율은 높지만, 소재의 독성과 딱딱한 물성 그리고 공정의 복잡성으로 응용 분야가 제한적이라는 한계를 보여왔다.
열에너지를 전기에너지로 변환시키는 ‘열-전 에너지 변환 소재’로써 공액 고분자에 대한 연구가 활발히 이뤄지지만, 낮은 전기 전도도와 에너지 변환 효율 문제, 취약한 안전성의 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다.
초고성능 유기 열전 소자의 개발을 위해 공정 개발과 소재 합성, 분석과 시뮬레이션 분야의 전문가들이 머리를 맞대 기존의 열전 변환 성능 향상과 관련한 연구들은 소재와 도핑 공정을 각각 독립적으로 연구했다.
연구팀은 도판트가 효과적으로 침투할 수 있는 공액 고분자를 설계 및 합성했다. 침투된 도판트를 공액 고분자 주사슬 근처로 유도, 사슬의 결정성을 증진 시키는 새로운 혼합용매 도핑 공정도 개발했다.
이어 새로운 도핑 기술을 고분자에 적용해 세계 최고 수준의 전기 전도도(>2100 S/㎝)와 열-전 변환 파워팩터(>260 uW/mK2)를 동시에 구현하는 데 성공했다. 이는 기존의 단독 용매 기반 도핑 공정으로 처리된 고분자의 전기 전도도와 파워팩터 대비 각각 4배, 5배 증가한 수치다.
연구팀은 이번에 발견한 혼합 용매 도핑 공정을 이미 개발됐거나 상용화된 p형과 n형 공액 고분자들에 적용, 전기 전도도와 열-전 변환 성능이 획기적으로 향상됨을 확인했다. 더불어 새로운 공정이 이미 상용화된 p형과 n형 도판트에서도 모두 작동함을 확인했다.
김종현 아주대 교수는 "이번에 개발한 혼합 용매 도핑 공정은 방법이 매우 간단하면서도 고분자의 전기 전도도와 열전 에너지 변환 출력, 안정성을 동시에 최적화하는 혁신적 기술"이라며 "이미 상용화된 다양한 p형 및 n형 고분자들과 도판트들에 대해서도 범용성을 가짐을 검증했기에, 웨어러블 기기의 전극 소재 등 고출력 유기 열전 소자의 개발에 널리 활용되길 기대한다"고 했다.
김강우 기자 kkw@kihoilbo.co.kr
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