[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

철강·석유화학 산업 등의 발전에 따라 공장은 1년 365일 가동되고 있다. 다양한 공정 과정에서 많은 양의 열이 발생하게 되는데 이는 버려지는 열, 즉 ‘폐열’ 이라고 불린다. 많은 연구진이 이 폐열을 활용할 수 있는 신재생에너지 개발에 큰 노력을 기울이고 있다. 특히, 열에너지를 전기로 바꿀 수 있는 열전효과1)를 이용한 열전발전기술은 차세대 친환경 에너지 기술 중 하나로써 주목받고 있는 분야이다.

열전발전의 핵심은 열전소재다. 일반적으로 열전소재의 전기전도도(전하이동도× 전하농도)는 높고 열전도도가 높을수록 성능이 뛰어나다. 유기열전소재는 금속기반 무기열전소재보다

상대적으로 낮은 열전도도를 갖는 특성이 있어 ZT(열전성능지수)2) 값을 향상할 수 있는 가능성이 있다. 또한 고분자 소재는 유연하다는 장점이 있어 웨어러블3) 열전소자로써의 활용이 가능하고, 값이 저렴하다.

하지만, 전기전도도가 낮다는 단점이 있어 열전소재로의 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 고분자의 전기전도도 향상과 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 

2. 연구내용

본 연구에서는 벤조티아디아졸과 디티에노실롤 기반의 도너-억셉터 공액고분4)자인 PDFD-T의 분자량을 조절함으로써 열전 성능에 대한 고분자의 영향에 관하여 연구하였다. 다양한 특성 분석을 통해, 고분자의 분자량이 높을수록 도펀트에 의한 도핑이 잘 되어 고분자 사슬 내에 폴라론이 잘 형성되며, 도핑 후 고분자의 결정도 감소가 최소화될 수 있다는 현상을 발견했다.

이러한 현상은 도핑된 고분자의 전하농도와 전하이동도에 영향을 주게 된다. 분자량이 작은 고분자 열전소재의 경우 39.5 S cm−1의 전기전도도를 보인 반면, 분자량이 큰 열전소재는 402.9 S cm−1의 전기전도도를 기록했다. 그 결과 분자량이 가장 큰 PDFD-T 고분자는 최고 101 μW·m-1·K-2 의 파워 팩터를 보였는데, 이는 이제껏 발표된 고분자 열전소재 중에서도 상당히 높은 성능이다. 반면 분자량의 작은 열전소재는 42.6 μW·m-1·K-2의 파워팩터를 기록했다.

이제까지는 고분자 열전소재의 성능 향상을 위해 새로운 고분자나 도펀트를 개발하는 연구 위주였던 반면에, 이번 연구에서는 고분자의 분자량에 따른 열전성능에 대한 심도 있는 분석을 함으로써 고성능의 고분자 열전소재를 보고하였다.

3. 기대효과

이번 연구 결과는 고분자의 도핑 효율과 전기전도성, 그리고 열전 성능의 최적화를 위해서는 고분자의 분자량이 중요함을 강조하였다. 연구에 사용된 PDFD-T 고분자는 분자량에 따라 다른 열전 성능을 보였고, 분자량이 가장 컸을 때 최고 101 μW·m-1·K-2의 파워팩터를 보여주며 해당 고분자의 유기 열전 소재로서의 활용 가능성을 제시하였다. 또한 고분자의 분자량을 조절함으로써 열전 소자의 파워 팩터 향상에 새로운 돌파구를 찾을 수 있음을 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 열전효과(Thermoelectric effect)

두 접점의 온도차로 인해 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 현상이다. 제백 효과(Seebeck Effect)라고도 불린다.

2. 열전성능지수(ZT)

열전소자의 성능은 ZT 값에 의해 표현되며 아래 식과 같다.

위 식에서 는 제백 계수(V·K-1), 는 전기전도도(S·m-1), 는 열전도도(W·m-1·K-1), 는 온도(K)이다. 이때, 를 파워 팩터(Power factor)라고 한다. 제벡 계수는 물질 내부의 온도 차이에 따라 열전효과에 의해 발생하는 전압을 결정하는 물질 고유의 계수로 제백 계수가 높을수록 더 많은 전기에너지를 얻을 수 있다.

3. 웨어러블 디바이스(Wearable device)

안경, 시계, 의복 등과 같이 착용할 수 있는 형태로 된 디바이스를 뜻한다. 고분자 열전소재의 경우 얇고 유연하며 부착 가능한 필름형태로 쉽게 찍어 낼수 있어 웨어러블 디바스에 들어가는 발전기 소재로 쓸 수 있다.

4. 도너-억셉터형 고분자(Donor-Acceptor Type Polymer)

전자가 풍부한 도너(Donor) 구조와 전자가 부족한 억셉터(Acceptor) 구조로 구성되어있는 고분자이다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. 본 연구에 사용된 고분자의 화학 구조와 분자량 정보: PDFD-T 고분자의 분자량에 따라 Low(L), Medium(M), High(H)로 나누었다. 추가로, PDFD-T와 도너 부분의 화학구조가 다른 PDFD-TT와 PDFD-DTT는 분자량이 작은 PDFD-T(L)과의 비교를 통해 열전성능에 대한 화학구조의 영향도 확인하였다.

그림2. 분자량에 따른 고분자의 도핑 전후의 결정성 변화 비교: 도핑 후, 분자량이 더 작은 PDFD-T(L)보다 분자량이 더 큰 PDFD-T(H)이 기존의 결정성을 더 잘 유지한다.

그림3. 고분자의 분자량에 따른 전기적 특성과 열전 특성: 고분자의 분자량이 클수록 전기적 특성과 파워팩터가 향상되는 모습을 보여주었다. 특히 PDFD-T(H)가 도핑 후 최고 101 μW·m-1·K-2의 파워팩터를 보여주었다.