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▲ P형, N형 고분자 젤의 재료 특성 ㄱ. P형, N형 고분자 젤의 모식도. ㄴ. 보편적으로 사용되는 폴리아크릴아마이드 하이드로젤 그리고 이온젤, 이온 곁사슬을 가진 하이드로젤과 비교한 수분 흡수 정도(30% 습도, 25 °C 조건). ㄷ. 자가회복 전, 후의 재료 신축 사진 및 광학 현미경으로 관찰한 재료의 자가회복 이미지.
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사막처럼 건조하거나 장마철만큼 습한 환경 등에서도 일관되게 고성능을 그대로 유지하는 '신축성 열전 소자'를 국내 연구진이 개발했다. 열전 소자는 공장에서 나오는 폐열 또는 인체에서 발산되는 열과 같이 버려지고 있는 열을 전기 에너지로 전환하는 소자를 말한다.  

한국연구재단(NRF, 이사장 이광복)은 14일 "국민대학교 이현정 교수와 포항공과대학교 박태호 교수 공동 연구팀이 다양한 습도 및 온도에서도 일관된 성능을 보이는 신축성 이온성 유기 열전 소자를 개발했다"면서 "연구팀이 개발한 신축성 이온성 열전 소자는 10~90%의 다양한 습도 조건에서 거의 일관된 열전력 특성을 발휘했다"고 밝혔다.

그간 '이온성 기반 열전 소자'의 경우 웨어러블 기기가 상용화되면서 높은 신축성 특성을 기반으로 몸에서 나는 열을 에너지로 바꿔 전자기기에 전원을 공급하는 열전발전에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 

하지만 기존 이온성 열전 소자는 대부분 70% 이상의 높은 습도조건에서 고성능을 보이며, 외부 습도에 따라 열전력(thermopower) 특성이 계속 변화하는 한계점이 드러났다. '열전력'이란 온도 차에 따라 형성되는 전압을 나타내는 요소로, 열전 소자의 주요 특성을 나타내는 척도를 가리킨다. 

연구팀은 이런 한계를 극복해 '낮은 흡습성을 보이는 신축성 재료'를 합성하는 데 성공했다.

먼저, 고분자의 곁사슬(분자의 핵심 부분에 붙어있는 화학그룹으로, 분자의 특성과 반응성을 결정하는 한 요인) 조절을 통해 물질의 점성을 줄이거나 소성을 줄이는 첨가제인 가소제 없이 고분자의 유리전이온도(고분자가 딱딱한 유리질 상태에서 부드러운 고무 상태로 변화하기 시작하는 온도)를 낮춰 800% 이상의 높은 신축성을 확보했다. 

또한 곁사슬의 조절로 얻어낸 고분자의 자유로운 움직임 등을 통해 이온결합 끊어짐과 재형성을 반복하는 자가회복을 가능하게 했다. 이동 가능한 이온으로 카오트로픽(chaotropic : 물 분자의 수소 결합을 방해하여 물 분자 구조를 감소시킴) 이온성 액체를 사용해 전기적 특성을 부여할 뿐만 아니라 재료의 낮은 흡습성을 확보했다.
 

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▲ P형, N형 고분자 젤을 이용한 열전 소자 특성 ㄱ. 다양한 습도 조건하에서 고분자 젤의 전기적(열전) 특성. ㄴ. 50% 반복적인 연신에 따른 P/N접합 (1쌍) 열전 소자의 전기적(열전) 특성. ㄷ. 여러 번의 자가회복에 따른 P/N접합 (1쌍) 열전 소자의 전기적(열전) 특성. ㄹ. P/N접합 쌍의 수에 따른 열전 특성.
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그 결과, 연구팀은 한 가지 종류의 이온만 이동하는 단일이온 이동형 고분자 젤인, P형과 N형의 두 종류의 고분자 젤을 이용해 각각의 열전 소자보다 높은 열전 특성을 가지는 P/N접합 커플 소자를 구현했다. 이렇게 제작한 열전소자는 50%의 반복적인 신축(伸縮) 조건과 여러 번의 자가회복 이후에도 일관된 특성을 보였으며, 최종적으로 5개의 P-N 형 열전 커플 소자는 약 0.8V의 전압을 형성했다. 

이번 연구를 진행한 이현정 교수와 박태호 교수는 "외부 환경에 구애받지 않는 신축성 이온성 열전 소자는 다양한 환경에서 사용되는 웨어러블 소자의 에너지원으로 활용될 수 있다"면서 "추후 유연 에너지 열전소자 및 체온을 에너지원으로 활용하는 웨어러블 스마트 소자의 상용화에 기여할 수 있을 것"이라고 기대했다. 

그러면서 이들은 "웨어러블 소자용 에너지원의 실용화를 위해서는 더 적은 P/N접합 수로 더 높은 전압을 형성할 수 있어야 하나, 높은 흡습성을 보이는 재료의 경우, 높은 성능을 확보하여도 외부 환경에 따라 성능이 변하기 때문에 일관던 웨어러블 소자의 구축이 제한됐다"면서 "이번 연구에서 우리는 다양한 조건에서 사용될 웨어러블 소자의 특성에 초점을 두어 외부 환경에 구애받지 않는 소자를 만들고자 했으며, 이는 향후 웨어러블 전자 소자의 실용화시 일관된 특성을 보장할 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)와 한국연구재단의 중견연구 및 기초연구실 지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지인 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)>에 9월 15일 온라인 게재됐다.