SAINT 강보석 교수 공동연구팀, 세계 최고 수준의 고성능 유기 열전소재 개발

- 버려지는 열을 전기로 바꾸는 차세대 친환경 소재 성능 대폭 향상

- 분자 구조를 정교하게 설계해 열→전기 변환 성능 극대화

▲ (왼쪽부터) 성균관대 강보석 교수, 한태웅 석사과정생, 김회민 박사과정생, 충남대 이재원 교수

우리 대학과 충남대학교 공동연구팀이 버려지는 열을 전기로 바꾸는 ‘유기 열전소재’의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 새로운 소재 기술을 개발했다. 연구결과는 재료·에너지 분야 최상위 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈에 게재되며 기술적 가치를 인정받았다.    

열전소재는 체온이나 기기에서 나오는 열을 전기로 변환해 전원 없이도 에너지를 생산할 수 있는 친환경 기술이다. 기존에 많이 쓰이던 무기물 기반 소재는 성능은 뛰어나지만 딱딱하고 독성이 있는 데다 높은 온도에서 복잡한 제조 공정을 거쳐야 하는 한계가 있었다. 반면 플라스틱처럼 유연한 ‘유기 소재’는 웨어러블 기기나 휘는 전자제품에 활용할 수 있는 장점이 있으나, 전기가 잘 흐르도록 만드는 과정에서 소재 구조가 쉽게 망가지는 문제가 있었다.

▲ 공액 고분자 구조 설계 전략과 이에 따른 우수한 전기 전도도 및 열전 특성 구현 데이터

공동연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 유기 열전소재의 분자 구조를 새롭게 설계했다. 전기가 잘 흐르도록 돕는 ‘첨가 물질(도판트)’이 소재와 자연스럽게 섞이도록, 고분자 사슬에 물과 친한 성질을 가진 곁사슬을 비대칭 형태로 배치했다. 이를 통해 소재가 쉽게 흐트러지지 않으면서도 전기가 잘 흐르도록 균형을 맞출 수 있었다. 또한 전기 흐름에 영향을 주는 분자 단위의 특성을 단계적으로 조절해 어떤 구조가 성능 향상에 가장 효과적인지 비교·분석했다.

그 결과, 새롭게 설계한 고분자 소재는 높은 도판트 양을 적용해도 구조가 안정적으로 유지됐으며, 기존 유기 소재 대비 월등히 향상된 전기전도도와 열전 성능을 보였다. 연구팀은 561.9 µW/mK²의 매우 높은 파워팩터를 달성하며 유기 열전소재 분야에서 세계 최고 수준의 성능을 입증했다.

강보석 교수는 “이번 연구는 유연한 열전소재의 구조적 안정성과 전기적 성능을 동시에 확보할 수 있는 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “웨어러블 기기나 사물인터넷 센서 등 다양한 분야에서 전원 공급을 돕는 차세대 에너지 기술로 활용될 것”이라고 밝혔다.    연구에는 성균관대·충남대 대학원생과 연구진이 공동으로 참여했으며, 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문명: Toward a Rational Design of Conjugated Copolymers with Oxygenated Side Chains for Boosting Thermoelectric Properties

※ 학술지: Advanced Energy Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202505100