열을 전기로 바꾸는 다층 유연소자 최초 개발

- GIST 조지영 교수팀, Energy & Environmental Science 논문 게재

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 조지영 교수(광주과학기술원) 연구팀이 신재생 에너지*로 주목 받고 있는 유연한 열전소자*의 전도율을 높여 전압을 높이는 새로운 제조법을 개발하였다고 밝혔다.

  * 신재생 에너지 : 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열 ·강수·생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지

  * 열전소자: 물질에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전자와 같은 이동자는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 된다. 이렇게 열에 의해 이동하는 이동자로부터 물질은 전압을 발생시킨다.

□ 유연한 열전소자는 버려지는 열을 전기로 바꿀 수 있어 신재생 에너지원으로 최근 각광받고 있다. 유연한 열전소자는 휘어지는 특성이 있어 의복 등 일상생활에서 착용이(wearable) 가능하고 비닐하우스에서 활용할 수 있다. 하지만 유연한 열전소자는 전기 전도도가 낮아서 전기가 잘 전달되지 않는 문제점이 있다. 연구팀은 유기 열전 소자 전기전도도와 열을 전기 에너지로 바꾸는 전환률을 높게 하여 유기 다층 박막 구조*를 도입으로써 열전소자 개발이 가능함을 제시하였다.

  * 유기 다층 박막 구조 : 화학적 성분이 다른 유기물 박막을 교대로 쌓은 구조물

(그림 1) 폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산/폴리아닐린 다층 박막 구조. (a) 상호 박막 간에 발생하는 전하이동. 폴리아닐린 내부에 존재하는 많은 수의 전공(hole)들이 인접한 폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산 층으로 이동함. (b) 다층 박막의 계면. 투과전자현미경으로 다층 박막이 뚜렷한 경계를 갖고 형성되었음을 확인함.
(c,d) 상호 계면에서 물리⦁화학적 반응. 유기 소재를 반복해서 쌓았음에도 계면에서 상호 물리⦁화학적 반응이 존재 하지 않음을 확인함. 
   

(그림 2) 향상된 전기전도도. (a) 두께에 따른 전기전도도 변화. 폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산과 폴리아닐린 한층의 두께가 20 나노미터(nm) 이하일 때 전기전도도가 급격히 증가하는 것을 확인함. (b) 폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산의 전기전도에 지배적인 역할. 같은 층수, 같은 두께에도 불구하고 폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산층의 개수가 많아지면 전기 전도도가 증가하는 것을 확인함.

(그림 3) 유기 열전 소자 성능 개선. (a) 유기 열전 소자 성능과 제벡계수. 유기 열전소자 대표 성능 지표인 power factor가 유기 다층 박막구조에서 급격히 상승하였음을 확인함. (b) 동작 가능 온도 환경. 상온 근처인 비교적 낮은 온도에서 power factor를 잘 유지하고 이를 통해 사람의 체온을 이용한 wearable 소자에 적용 가능성을 확인함.

□ 연구팀은 전기 전도도와 제벡 계수* 사이에 반비례 관계가 거의 없는 유연한 유기물을 도입하고, 더 나아가 다층으로 쌓아 전기 전도도를 높였다. 또한 세계 최초로 한 층이 20나노미터(nm) 이하인 서로 섞이지 않는 서로 다른 종류의 유기 박막을 번갈아가며 쌓은 유기 다층 박막을 도입하여 소자의 전기 전도도와 효율을 동시에 향상시켰다. 

*제벡 계수 :  물질 내부에 있는 온도 차이와 이에 따라 발생하는 전압을 결정하는 물질 고유의 계수

□ 조지영 교수는 “이번 연구 결과는 그 동안 효율 향상이 어려웠던 열전소자 효율을 유연한 다층 유기물 박막이라는 새로운 소자 구조 개발을 통해 향상시킨 것이다. 의복이나 비닐 하우스처럼 유연하면서도 버려지는 작은 열에너지를 전기로 전환해서 다른 소자를 충전하도록 사용하는 하베스팅 기술*에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

  * 하베스팅 기술 : 주변에 이미 존재하는 현상을 이용하여 에너지를 채집하는 기술

□ 이번 연구결과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 환경과학 분야 세계적인 학술지인 에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science) 8월 31일자에 게재되었으며 표지 논문으로 선정되었다. 

한국연구재단