열을 전기로 만드는 소재를 필름에 붙여 쓴다

화학연구원 조성윤 박사팀, 폴리티오펜 열전 소재 개발
가볍고 잘 휘어지면서 300시간 넘게 90% 이상 성능 유지

한국화학연구원 조성윤 박사팀이 열을 전기로 바꾸는 성능이 오래가고 인쇄 공정으로 가볍고 저렴하게 만들 수 있는 유기 열전소재를 개발했다. 화학연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국화학연구원은 조성윤 박사팀이 열을 전기로 바꾸는 성능이 오래가고 인쇄 공정으로 가볍고 저렴하게 만들 수 있는 유기 열전소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

조성윤 박사는 "유기열전소재가 가볍고 유연해 향후 웨어러블 기기, 스마트 센서, 사물인터넷 등에 적용할 수 있다"고 설명했다. 또한 "차량이나 선박에 적용하면 폐열을 전기로 생산할 수 있다"고 말했다.

연구진은 공기 중에 3주 이상 노출돼도 열전 성능을 유지하는 새로운 폴리티오펜 활용 소재를 개발했다.

연구진이 만든 열전 소자를 사용한 결과 300시간 후에도 90% 이상 성능이 유지됐다. 또한 10℃의 온도차에서 18.5㎻㎠의 전력 밀도를 나타냈다.

글로벌 마켓 리서치 회사인 아이디테크엑스(IDTechEx)의 시장조사에 따르면 열전소자 전체 세계 시장규모는 2018년 2억7400만 달러(약 3097억5700만원)에서 2022년에는 7억4600만 달러(8433억5300만원)로 연평균 약 54% 성장할 것으로 보인다.

공기 중에서 장시간 성능이 지속되는 폴리티오펜 열전 소자 제작은 이번이 처음이다. 지금까지 폴리티오펜을 활용한 소재는 공기 중의 산소, 수분의 영향을 받아 일주일만 지나도 열전 성능이 80% 이상 떨어졌다.

한국화학연구원 조성윤 박사팀이 슬롯 다이 프린팅으로 열전소자를 만들었다. 화학연구원 제공

연구진은 '폴리티오펜' 소재 위에, 소량의 염화금을 녹인 용액을 발랐다.

폴리티오펜 소재와 염화금이 만나면 화학반응이 일어나 염화금 이온과 금 나노입자가 만들어지면서 독특한 고분자 결정 구조가 만들어진다. 이 결정 구조 속 염화금 이온은 열전 성능을 높여주고, 금 나노입자는 열전 성능이 오래 유지될 수 있게 도와준다. 연구진은 가장 오래 성능이 지속될 수 있는 염화금 농도를 찾아, 극소량만 발라도 성능이 지속될 수 있도록 했다.

이 소재는 신문을 인쇄하듯 찍어내는 프린팅 공정으로 상온에서 간단하고 저렴하게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 면적이 넓은 칼날이 붓처럼 소재를 바르는 방식의 '슬롯 다이 프린팅'으로 폴리티오펜 소재를 찍어낸 후, 그 위에 염화금 용액을 바르는 형태다.

조성윤 박사는 "열전 성능과 지속성을 더욱 높이는 연구를 계속 진행하고 있으며, 이를 통해 향후 웨어러블 기기나 센서의 자가전원으로도 응용될 수 있기를 바란다"고 말했다.

이번 연구결과는 그 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 권위지인 '나노 에너지(Nano Energy)' 4월호 논문에 게재됐다.
#사물인터넷 #화학연구원 #웨어러블 #나노에너지 #스마트센서 #열전소재 #폐열 #폴리티오펜 #염화금