장재영 교수, 웨어러블 기기의 에너지원으로 사용가능한 열전소재 개발

세계적 소재분야 권위지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스 표지논문 소개

한양대 장재영(36·사진) 에너지공학과 교수팀이 최근 자가치유 특성을 가진 신축성 고분자 열전소재를 개발했다. 열전소재는 온도 차를 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환하는 재료로, 현재까지는 금속이나 세라믹 기반 소재를 사용하고 있다. 재료과학 분야 세계 권위지인 「어드밴스드 펑셔널 머터리얼스 (Advanced Functional Materials)」 26일자 표지논문(Back Cover)으로 발표된 장 교수팀의 연구 성과가 상용화될 경우, 체온만으로도 웨어러블 기기 배터리 충전이 가능해져 기기의 사용시간이 대폭 향상될 것으로 전망된다.

장재영 교수

정용진 교수

기존에도 변형이 힘든 금속 대신 고분자 기반의 신축성을 갖는 열전소재에 관한 연구가 활발히 진행됐다. 하지만 부드러운 물성(物性)을 가진 유기물은 물리적 충격을 받을 경우 쉽게 열전 특성을 잃어버린다는 단점이 있어 상용화가 어려웠다.
따라서 웨어러블 디바이스의 에너지원 등 보다 다양한 분야에서 활용하기 위해 유연성과 신축성을 가지면서도 외부 충격에 의해 생기는 크랙(crack) 등을 자가 치유함으로써 안정성을 가질 수 있는 새로운 유기 열전소재 개발의 필요성이 제기됐다.

이런 문제점을 해결하고자 장 교수팀은 기능성 유기소재를 사용함과 동시에 소재 디자인과 제작공정 전략을 함께 제시함으로써 최적의 열전 특성을 보이는 소재를 개발했다.
장 교수팀은 나노와이어 형태의 ‘공액고분자(conjugated polymer)’를 효과적으로 도핑(doping)해 열전특성을 띄게 하고, 이를 열가소성 고분자 탄성체 매트릭스에 분산시켜 복합체 형태의 신축성과 자가치유성을 가진 열전 소재를 개발했다.
이렇게 개발된 소재는 저온의 작은 온도차에서도 우수한 열전 변환특성을 보였고, 스크래치나 크랙 등 외부 충격에도 자가 치유되며 안정적으로 열전 특성을 유지했다.

이번 연구의 의의는 최근 활발히 연구가 진행 중인 웨어러블 디바이스의 에너지원으로써 유기 고분자 기반 열전소재의 응용 가능성을 확인했다는데 있다.
장 교수는 “이번에 개발한 기능성 열전소재는 전자피부나 웨어러블 스마트 기기 등 미래 전자소재의 개발과 상용화에 큰 도움이 될 것이다”며 “또 해당 기술은 차세대 에너지 하베스팅 관련 분야에도 널리 활용될 것으로 기대 된다”고 말했다.

이번 연구는 교육부의 재원(기본연구지원사업-SGER)으로 한국연구재단의 지원을 받아 정용진 한국교통대 신소재공학과 교수와 함께 진행됐다.


<참고자료>

■ 논문명 : Self-Healable and Stretchable Organic Thermoelectric Materials: Electrically Percolated Polymer Nanowires Embedded in Thermoplastic Elastomer Matrix

■ 저자정보 : 정용진 교수 (제1저자, 한국교통대학교 신소재공학과), 정재민 박사과정 (한양대학교), 서의현 박사과정 (한양대학교), 윤동진 박사 (삼성종합기술원), 오종규 박사과정 (한양대학교), 장재영 교수 (교신저자, 한양대학교)