국민대학교(총장 임홍재) 응용화학부 전주원 교수 연구팀과 UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장성연 교수팀은 공동으로 자가치유가 가능하며, 신축성을 동시에 지닌 ‘고효율 유무기 이온성 열전소재’를 개발했다. 개발된 소재는 자가 치유 능력과 신축성 등 우수한 기계적 물성을 가지며, 열로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 유무기 이온성 열전 소재이다. 

최근 고분자 전해질에 열을 가하면 이온의 열확산 현상에 의해 10 mV/K에 달하는 높은 전압이 발생할 수 있다는 사실이 발견되었지만, 일반적인 고분자 전해질은 유연성과 신축성이 떨어지고 기계적 손상에 취약한 단점이 있어서, 우수한 기계적 물성이 요구되는 ‘웨어러블 전기기기’에 전원 공급원으로 사용되기 어려운 문제점이 있었다. 

공동연구팀은 이온성 고분자 소재와 실리카 나노입자(SiO2-np)를 이용해 자가치유 성능을 가지면서도 기계적 물성이 우수한 고효율 열전소재를 개발했다. 개발된 열전소재는 열에 의한 이온 확산으로 17.9 mV/K에 달하는 매우 높은 열전기력을 보였으며, 발생된 전압은 커패시터나 수퍼커패시터를 직접 충전할 수 있었다. 또한 각 성분간 수소결합과 정전기 결합으로 인해 매우 높은 신축성을 지녔으며, 찢어짐과 같은 파손을 스스로 치료 할 수 있다.  

특히 이번 연구는 실리카 나노입자가 이온성 열전소재의 기능기의 이온화를 촉진시켜 이온성 열전특성을 크게 높일 수 있다는 것을 새롭게 발견하고 그에 관련된 성능향상의 메커니즘을 전기화학적인 분석을 통해 해석하였다.

개발된 열전 소재의 이온성 열전 성능지수(ZTi)는 3.74로 지금까지 학계에 보고된 어떤 이온성 열전 소재보다도 높다. 열전성능지수는 소재에서 발생하는 온도차(온도구배)를 전기화학적 에너지로 저장할 수 있는 능력을 나타내는 지표로, 기존에 보고된 최고 ZTi는 1.8 이하다. 더군다나 신축성이 좋아 원래 길이의 3~6배까지 늘일 수 있고 스트레칭과 절단이 심한 반복에도 열전 성능을 유지할 수 있다.

이번 연구 결과는 에너지 소재 분야의 가장 권위 있는 학술지중 하나인 ‘Advanced Energy Materials(IF 29.368, JCR 2.778%)’에 12월 15일자로 게재되었으며 Advanced Energy Materials 2022년 제6호의 앞표지(front cover)로 소개되었다. 연구수행은 한국연구재단(NRF)의 지원으로 이뤄졌다. 

 (논문명: Self-healable Organic-Inorganic Hybrid Thermoelectric Materials with Excellent Ionic Thermoelectric Properties)

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