비대칭 산소화 곁사슬 설계로 구조 안정성·전기전도 동시 확보…파워팩터 561.9 µW/mK² 달성
성균관대학교와 충남대학교 공동연구팀이 버려지는 열을 전기로 바꾸는 유기 열전소재의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 신소재 설계 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
연구결과는 재료·에너지 분야 최상위 국제학술지인 Advanced Energy Materials에 게재됐다.
열전소재는 체온이나 기기에서 발생하는 열을 전기로 변환하는 친환경 에너지 기술로 웨어러블 기기와 사물인터넷 센서의 자가전원원으로 주목받고 있다.
기존 무기물 소재는 성능은 우수하지만 딱딱하고 제조 공정이 복잡하며 독성 문제가 있어 유연한 응용에 제약이 있었다.
반면 유기 기반 소재는 유연성이 장점이나 도판트(첨가물)를 도입하는 과정에서 소재 구조가 쉽게 흐트러져 전기적 성능이 떨어지는 한계가 있었다.
공동연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 고분자 사슬에 물과 친한 성질의 산소화 곁사슬을 비대칭으로 배치하는 분자 설계 전략을 제시했다.
이로써 도판트가 소재와 자연스럽게 섞이면서도 고분자 구조의 안정성을 유지하도록 했고, 분자 단위 특성을 단계적으로 조절해 최적 구조를 규명했다.
그 결과 새로 설계한 고분자 소재는 높은 도판트 함량에서도 구조 붕괴 없이 우수한 전기전도도와 열전 성능을 동시에 달성했다.
연구팀은 해당 소재로 파워팩터 561.9 µW/mK²의 성능을 기록하며 유기 열전소재 분야에서 세계 최고 수준의 기록을 세웠다고 밝혔다.
강보석 교수는 “구조적 안정성과 전기적 효율을 동시에 확보한 설계 전략으로 웨어러블 전원, 무선 센서 노드 등 다양한 저전력 응용에서 차세대 에너지 기술로 활용될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 성균관대·충남대 대학원생과 연구진이 공동 참여했으며 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.
(논문명: Toward a Rational Design of Conjugated Copolymers with Oxygenated Side Chains for Boosting Thermoelectric Properties, Advanced Energy Materials, https://doi.org/10.1002/aenm.202505100)