Q해당 기술에 대해 좀 더 자세히 설명해주세요.

A반도체의 양단에 온도 차가 발생하면 전기가 흐르는데 이러한 특성을 극대화한 소재를 열전소재라고 합니다. 차량이나 건축물 등에서 낭비되는 폐열을 이용해 전기를 생산할 수 있으며, 옷에 부착하면 체온과 외부 간에 발생하는 온도 차를 전기로 전환할 수 있습니다.
열전소재를 만들 때 유기 반도체인 고분자를 활용할 경우, 무게가 가볍고 유연하며 독성이 낮다는 장점이 있지만 전기 전도성이 떨어진다는 문제가 있습니다. 이를 해결하기 위해 다양한 도펀트(Dopant, 첨가제)를 넣는데, 이 작업을 도핑(Doping)이라고 합니다. 유기 반도체와 같은 용매에 잘 녹는 BCF라는 물질이 있는데, 물과 반응할 경우 본래의 산 특성이 변하게 됩니다. 저희는 산성을 띠는 다양한 물질이 유기 반도체의 도펀트로 널리 활용되고 있다는 사실에 주목했습니다. 물과 반응한 BCF를 같은 방식으로 사용할 수 있을 것이라 추론했고, 물과 반응해 나타나는 산 특성을 극대화하는 데 성공해 유기 열전소재의 성능을 비약적으로 향상시켰습니다. 유기 반도체의 도핑 원리를 규명하고, 더욱 잘 도핑될 수 있는 신규 도핑기술을 개발한 것입니다.
이는 기존 도핑기술 대비 전도성과 열전 발전 특성이 수십 배 이상 향상된 것으로, 소재적 관점에서 새로운 돌파구를 제시한 연구라고 볼 수 있습니다. 이를 인정받아 아주 높은 IF 값(25.24)을 갖는 <Advanced Energy Materials>지에 연구 결과를 발표할 수 있었다고 생각합니다.

Q도핑기술 개발에서 더 나아가 열전소재의 기능성을 높인 연구 결과도 있지요?

A<Advanced Functional Materials>지 표지논문에 실린 연구가 바로 그 내용인데요. 고분자 소재에 새로운 기능성을 부여함으로써 외부에서 가해진 물리적인 피해로 입은 상처를 원 상태로 회복하는 ‘자가 치유성’ 열전소재를 개발한 것입니다. 잡아당기면 늘어나고, 자른 후 붙이면 다시 회복되거나 하는 것이지요.
이 연구는 웨어러블 열전소자로의 응용성을 더욱 확장시켰다는 데 의미가 있습니다. 앞서 말한 도핑기술과 이러한 소재기술은 다양한 유기 반도체에 적용할 수 있죠. 향후 고성능 유기 열전소자 개발의 핵심 기술이 되리라 생각합니다.

Q국내외 기술 수준과 앞으로의 전망에 대해 말씀해주세요.

A열전효과란 열을 전기로 변환하거나 그 반대인 현상을 통칭하는 것인데, 우주·항공 분야의 전기 동력원부터 냉장고 및 냉온수기의 온도 조절까지 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 현재 열전소재에서는 유기, 무기, 유무기 혼합 소재를 개발하는 연구가 이뤄지고 있습니다. 실생활에 쓰이는 열전소재는 대부분 무기 소재이며, 웨어러블과 같은 유기 열전소재는 아직 상용화되지 않았습니다. 차세대 열전소재 개발 연구는 해외에서 더 활발하게 진행되고 있고요.
전 세계적으로 화석연료 고갈과 기후변화 등의 에너지·환경 이슈가 커지는 만큼 에너지 하베스팅 기술(자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환해 수확하는 기술)인 열전소자 개발에 대한 요구가 더욱 늘어날 전망입니다. 또한, 사물인터넷(IoT) 기술이 보편화되면서 수많은 스마트센서나 전자소자의 동력원으로써 활용도가 높아질 것입니다.

Q향후 연구실 운영 계획 및 목표가 궁금합니다.

A앞서 소개한 연구의 후속 연구로 도핑 효율을 극대화할 수 있는 신규 도펀트와 열전재료를 최근 개발했고, 이를 다양한 유기 반도체에 적용하여 열전소자의 성능을 더욱더 높이고자 합니다. 이와 동시에 고분자 소재 본연의 특성을 극대화한 구조를 갖는 열전소자의 개발을 진행하고 있습니다. 예를 들어, 쉽게 늘어나고 접착성이 있는 고분자 소재의 특성을 활용하여 피부에 접착해 사용하는 패치형 열전소자, 말랑말랑한 스펀지의 구조를 활용한 열전소자 등 효율 향상뿐 아니라 열전기술의 보급을 위해 다방면으로 노력하고 있습니다. 앞으로 넘어야 할 벽이 많지만, 차세대 전자·에너지 기술의 국내화를 위해 꾸준히 연구에 매진하겠습니다.