열전발전은 소재의 온도 차로부터 전력을 생산하는 발전방식으로 버려지는 열에너지를 재활용할 수 있는 청정 발전방식이다. 열전발전을 위한 소재 중 고분자 반도체 기반의 열전소재는 기존 무기물 기반 열전소재와 달리 기계적 유연성과 낮은 열전도도 등 높은 열전성능 달성에 유리한 이점을 가지고 있다. 그러나 대부분의 고분자 반도체 기반 열전소재가 높은 성능을 보고하는 경우는 드문데, 이는 고분자 반도체의 낮은 전기 전도도 때문이다.
최근에는 이러한 한계를 극복하기 위해 고분자 반도체의 화학적 도핑을 통해 고분자 반도체의 전기 전도도를 향상함으로써 열전성능을 개선하는 연구가 학계에서 활발히 보고되고 있다. 하지만 고분자 반도체는 소재에 따라 효과적인 도핑이 가능한 도판트(dopant)의 종류가 달라지며, 도핑이 전혀 불가능한 고분자-도판트 쌍도 존재한다. 지금까지 수많은 고분자 반도체와 도판트 소재가 연구되어 왔지만, 고분자 반도체의 분자구조에 따른 도핑 효율의 민감한 변화의 원인에 대해서는 여전히 충분한 이해가 부족한 실정이다.
도판트(dopant)란 반도체 소재의 전기적 또는 광학적 특성을 변경하기 위해 첨가되는 물질로, 도판트가 반도체 소재에 첨가되면 소재의 전하 농도가 증가해 전기 전도도가 향상될 수 있다.
성균관대 강보석 교수와 김준기 교수, 경상대 김윤희 교수, 가천대 이한솔 교수 공동연구팀은 도핑 효율과 열전성능을 획기적으로 향상할 수 있는 새로운 고분자 반도체 소재 기술을 개발하고 그 원리를 규명하는 데 성공했다.
공동연구팀은 고분자 반도체의 주사슬에 메톡시(methoxy) 기의 도입을 통해 규칙적으로 배열된 고분자들의 분자 간 거리를 확장했다. 고분자 반도체의 도핑은 도판트가 고분자 주사슬에 근접할 때 일어날 수 있는데, 이러한 분자 간 거리 확장은 고분자 주사슬 사이사이에 도판트가 침투할 수 있는 충분한 물리적 공간을 제공하여 도핑 효율을 크게 향상시켰다.
연구팀은 해당 소재 기술을 통해 고분자 반도체 열전소재의 파워팩터(power factor)를 20% 이상 향상했으며, 심지어 메톡시 기 부재 시 도핑이 불가하던 고분자-도판트 쌍이 메톡시 기 도입 후에는 효과적인 도핑이 가능한 쌍으로 전환될 수 있음을 보였다.
메톡시(methoxy)란 화학식–O–CH3를 가지는, 메틸기에 산소 원자가 결합된 작용기이다. 파워팩터(power factor)란 소재의 열전성능을 가늠할 수 있는 성능 지표 중 하나로, 파워팩터가 클수록 우수한 열전성능을 나타냄. 파워팩터는 소재의 전기 전도도에 비례한다.
성균관대 강보석 교수는 “반도체의 분자구조와 도핑 특성 간 상관관계를 이해하고 소재의 도핑효율 및 열전성능을 획기적으로 향상할 수 있는 분자 디자인 전략을 확립할 수 있었다”며 “다양한 고분자 반도체 소재에 적용하여 효과적인 고분자-도판트 쌍을 위한 폭넓은 선택지를 제공할 수 있다는 점에서 학술적·산업적인 가치가 높다”고 연구의의를 설명했다.
이번 논문은 가천대 이한솔 교수가 제1저자(공동 제1저자: 김회민 성균관대 석박통합과정, Landep Ayuningtias 경상대 박사과정)로 참여했으며, 성균관대 강보석 교수, 김준기 교수와 경상대 김윤희 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐으며, 재료-환경 분야 권위지‘에코멧(EcoMat)’에 4월호 표지논문으로 선정됐다.
전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr
