^*열전소재: 열에너지(온도차)와 전기에너지를 상호변환 할 수 있는 특성이 있는 소재. 펠티에(Peltier) 효과에 의해 가열과 냉각을 할 수 있고, 제베크(Seebeck) 효과에 의해서는 발전(發電)이 가능하다. 전기에너지를 열에너지로 바꾸는 방식의 열전소재는 제습기, 소형냉장고 등에 쓰이고 있다.

^*가교(cross-link): 선상 고분자 분자들이 결합하여 3차원 그물 모양의 구조를 형성하는 현상. 화학적 결합 또는 물리적 결합을 통해 형성할 수 있다.

^*공액 고분자: 유기 화합물(탄소 화합물)에서 이중결합과 삼중결합, 혹은 이중결합과 단일결합, 단일결합과 삼중결합이 번갈아가며 나타나는 공액 상태 고분자. 일반 고분자와 달리 광전자 소재 등으로 사용 할 수 있다.

^*열전·슈퍼커패시터 복합에너지소자: 열전소자(발전)와 슈퍼커패시터(전기저장) 소자의 개념이 복합화된 소자(device)로서 열전현상에 의해 전기를 충·방전 할 수 있는 구조를 가지고 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

열전소자는 일상생활에서 발생하는 폐열을 활용하여 전기를 생산할 수 있는 에너지 소자로 그 활용도가 높을 것으로 기대되고 있다. 최근 웨어러블 전자기기에 관한 관심이 증대되면서 웨어러블 자가전원 개발에 대한 요구도 높아지고 있다. 인체의 열을 이용하여 효과적으로 전기를 생산하는 웨어러블 열전소자의 개발은 그 요구를 충족시킬 가능성을 제시한다. 이를 실현하기 위해서는 우수한 열전특성과 더불어 인체에 영향을 미치는 독성이 낮고, 사용 시 발생하는 움직임에 의한 변형과 파괴를 회복할 수 있는 열전소재1) 개발이 필수적이다.

최근 전자나 정공 전하 운반체로 인해 전력을 생산하는 기존의 방법 대신에, 이온 운반체의 열확산 현상에 의해 고분자 전해질(폴리술폰산 등)에서 제베크(Seebeck) 계수(단위 온도당 전기적 위치에너지)가 수 mV K-1에 달하는 높은 열전압을 만드는 고분자가 보고됐다. 하지만 보고된 고분자 전해질은 유연성과 신축성이 떨어지며 자가치유 능력 또한 갖고 있지 않아 향후 웨어러블 열전소자용 소재로는 적용하기 어려운 단점이 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 ‘공액계 전도성 고분자2)와 전해질 고분자로 이루어진 복합체’에 물리적 ‘가교제’를 복합화하여 신축성 및 자가치유 특성을 부여하는데 성공했다. 이 ‘삼 성분(전도성 고분자, 전해질 고분자, 가교제) 복합체’ 합성에 성공함으로써 우수한 열전특성을 지니면서도 신축성과 자가치유 특성을 가지는 ‘자가치유 열전소재’를 개발했다.

이 삼성분 복합체의 경우 소레(Soret) 효과3)로 인해 8.1 mV K-1의 매우 높은 제베크 계수 값과 열전 성능 지수(figure of merit, ZT)4) 1.04를 달성할 수 있었다. 이는 현재까지 보고된 유기열전소재의 ZT 값중 가장 높았다.

또한, 전도성고분자와 전해질고분자가 물리적 가교제5)인 피트산(phytic acid)과 수소결합 및 극성결합6)을 형성하여 매우 우수한 신축성과 자가치유 특성을 갖는다. 개발된 삼성분계열전소재의 경우, 외력 없이도 자가치유되는 특성을 나타냄과 동시에 750%에 이르는 높은 신축성을 나타내었다. 그뿐만 아니라, 반복적인 늘임과 절단 후에도 외부 자극 없이 열전성능을 회복하는 우수한 자가치유 특성 갖췄는데, 50%의 인장(늘림)으로 30회의 신축-회복 반복과 30회의 절단-치유 반복 후에도 열전성능의 변화가 전혀 없었다.

특히 개발된 열전소재를 이용하여 열전·슈퍼커패시터7) 복합에너지소자의 제조가 가능하기 때문에, 열에 의해 변환된 전기를 전극에 저장할 수 있는 ‘자가치유 가능한 일체형 에너지 소자’를 세계 최초로 제조할 수 있었다. 제조된 일체형 에너지 소자는 절단 후에도 외부 자극 없이 기존의 발전 성능을 회복하였으며, 반복된 절단-회복 실험 후에도 성능의 변화가 없었다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발된 자가치유 열전소재의 경우, 우수한 기계적 물성을 지니면서도 매우 높은 열전특성을 동시에 지니는 최초의 이온성 유기열전소재이다. 따라서 향후 웨어러블 자가전원을 개발하는데 있어 새로운 전기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 열전소재

열전 효과가 발생하는 소재. 열전효과란 열과 전기 사이의 관계를 나타내는 효과를 모두 이른다. 대표적으로 온도차이(온도구배)에 의해 기전력(전압)이 발생하는 제베크(Seebeck)효과와 역으로 전류를 흘려서 열의 발생이나 흡수가 일어나는 현상인 펠티에 (Peltier)효과가 있다. 제베크 계수(Seebeck coefficient)는 단위 온도 당 발생하는 기전력의 크기를 나타낸다.

2. 공액계 고분자 (Conjugated polymer)

유기 화합물(탄소 화합물)에서 이중결합과 삼중결합, 혹은 이중결합과 단일결합, 단일결합과 삼중결합이 번갈아가며 나타나는 공액 상태 고분자. 일반 고분자와 달리 광전자 소재 등으로 사용 할 수 있다. 

3. 소레(Soret) 효과

제베크 효과와 유사하게 온도차에 의해 기전력이 발생하는 효과. 제베크 효과와 달리 소레 효과는 이온이 열에 의해 확산되는 현상(thermodiffusion)에 의해 발생한다.

4. 열전 성능 지수(Thermoelectric figure of merit, ZT)

열전 소재의 에너지 변환 효율을 평가하는 지표. 제베크 계수와 전기전도도에 비례하며 열전도도에 반비례한다.

5. 가교제

선 모양의 분자 속에서 특정 원자와 원자를 이어주는 물질로, 가교 현상(Cross linking)이 일어나면 물질의 물리・화학적 특성이 개선된다. 

6. 극성결합

분자 상호간에 상기는 약한 결합. 분자를 구성하는 원자의 종류별로 전자친화도(전자를 좋아하는 성질)이 다르면 전자구름이 한쪽으로 쏠려 전하를 띠게 되는데, 이때 전하를 띤 분자간 일어나는 결합을 극성 결합이다. 수소 결합은 극성 결합의 한 종류로 수소원자가 질소, 산소 등과 결합할 때 생긴다.

7. 슈퍼커패시터

전극 표면에서 전자와 이온의 흡·탈착해 에너지를 저장하는 장치

[붙임] 그림설명

그림 1. 개발된 자가 치유 열전소재의 신축성과 자가 치유 성능.

그림 2. 개발된 열전소재의 자가 치유 성능. 그림(a) 자가 치유 열전소재의 작동 개략도. 절단 후에도 자가 치유를 통해 전기전도성을 유지함. 그림(b) 절단 실험 후에도 자가 치유를 통해 기전력(Thermovoltage) 유지 (c) 여러 번의 절단과 자가 치유를 반복해도 안정적인 기전력과 전도효율을 보임