경북대 신소재공학부 박귀일 교수팀은 한국재료연구원 김경태 박사팀과 공동연구로 종이처럼 얇고 유연하면서 내구성이 강한 친환경 열전소재를 개발했다.
열전재료는 열에너지로부터 제백(Seebeck) 효과를 일으켜 전기에너지를 생성하는 물질로 자동차, 우주항공, 반도체, 바이오 등 산업 전반에 활용되고 있다. 기존 유기물질에서 탄소중립 등으로 바이오고분자 소재가 주목받고 있으나 내구성이 약한 단점이 있다.
박귀일 교수팀은 드랍캐스팅(Drop-casting) 공정을 통해 바이오폴리머인 셀룰로오스 매트릭스 층 아래에 무기입자 네트워크 층을 가진 층상구조의 열전 종이(필름)를 개발했다. 층상구조는 셀룰로오스 계면과 무기물질 사이에 에너지 캐리어가 침투하는 것을 차단하는 에너지 필터링 효과에 의해 우수한 열전특성을 가진다. 셀룰로오스 매트릭스는 무기입자 네트워크 층을 연결해주는 바인더 역할을 하며 내구성을 향상시켰다. 박 교수팀은 셀룰로오스를 기반으로 만든 열전소재는 탄소를 배출하지 않고 물에서 완전히 용해되는 것을 확인했다. 특히, 셀룰로오스는 생분해성이 높기 때문에 폐기물 문제도 해결될 것으로 기대된다고 설명했다.
박 교수팀은 개발한 열전소재를 이용한 에너지생성소자를 직접 제작해 응용 기술로의 가능성을 확인하기도 했다. 제작된 에너지생성소자는 3천번의 반복적인 굽힘에서도 기계적 안정성이(88%의 내부저항 유지) 우수하게 유지되고, 다양한 형상으로 종이접기를 통한 에너지 수확 성능도 입증했다.
박귀일 교수는 “탄소중립을 실현할 수 있는 셀룰로오스 바이오폴리머를 활용한 제작 공정으로 전기적·기계적 특성이 우수한 유연 열전소재를 개발했다. 자유로운 형태 변형에도 높은 내구성이 검증되어 웨어러블 디바이스는 물론 전기·전자, 생체의학, 첨단산업 분야 등에도 활용도가 높을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.
이번 연구결과는 나노소재·에너지 분야 저명학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy, Impact factor: 19.069)’ 9월 20일 자 온라인판에 게재됐다.
교신저자는 경북대 박귀일 교수와 한국재료연구원 김경태 박사, 제1저자는 경북대 김서하 연구원(석사과정)이다.
