서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 전기정보공학부 곽정훈 교수와 재료공학부 강기훈 교수, 원광대학교 탄소융합공학부 김성현 교수 연구팀(박주형, 장재규 1저자)이 세계 최고 수준의 고성능 유기반도체 열전소자를 개발했다고 밝혔다.

열전소자는 주변 환경에 버려지는 열에너지를 온도 차이를 이용해 전기에너지로 변환할 수 있는 반도체 기술이다. 기존에는 벌크 형태의 무기반도체 열전소자가 높은 성능 덕분에 주로 사용돼 왔으나 저온에서의 낮은 경제성, 소재의 독성, 무겁고 딱딱한 특성 등으로 응용 분야가 제한적이었다.

반면, 유기반도체 박막을 이용한 열전소자는 얇고 가벼우며, 유연/신축형으로 제작이 가능해 다양한 곡면 등에도 밀착 적용할 수 있다. 또 친환경적 특성을 갖춰 인체 피부 등에 직접 부착할 수 있어 다양한 곳에 활용될 잠재성이 있다. 그러나 무기열전소자에 비해 상대적으로 낮은 열전변환효율로 상용화에 어려움을 겪고 있다.

유기열전소자의 성능 향상을 위해서는 분자 도핑 등을 통해 고분자의 전하 농도와 상태 밀도를 세밀하게 조절해야 한다. 그러나 도핑 과정에서 발생하는 고분자의 결정성 저하로 열전변환 성능이 하락하고, 결정질 영역과 비결정질 영역이 혼재하는 도핑된 전도성 고분자의 불규칙한 구조로 열-전하 수송 메커니즘에 대한 근본적 이해가 어려운 점은 열전소자 성능 개선에 큰 걸림돌이 돼 왔다.

이에 공동 연구팀은 널리 활용되는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS의 상태 밀도 제어를 위해 트리플산(triflic acid)을 이용한 산화-환원 순차 도핑 방법으로 PEDOT:PSS 박막의 결정성 저하 없이 전하 농도를 제어해 파워 팩터(power factor) 534.5μW/mK2이라는 세계 최고 수준의 열전변환 성능을 달성했다.

또 연구진은 전하 수송 모델링을 통해 해당 시스템에서 얻을 수 있는 열전 성능의 이론적 최대치를 찾아냈는데, 결정성 저하가 일어나지 않음에도 실제 실험 결과가 이에 이르지 못하는 점에 주목했다.

논문 공동 제1저자인 박주형 연구원은 이론과 실제값 간 차이의 원인을 밝히기 위해 △홀 효과(Hall effect) △자기 저항(Magnetoconductance) △밀도범함수 이론(DFT) 등을 포함한 다양한 분석을 수행했고, 이를 통해 “고분자의 결정질 영역을 연결해 주는 수 나노미터(㎚) 스케일의 타이-체인 구조의 변형이 전하 침투를 방해해 열전소자 성능을 제한하는 핵심 원인임을 밝혀냈다”고 밝혔다.

논문 공동 교신저자인 곽정훈 교수는 “고성능 유기열전소자 개발을 위한 방향성을 제시했고, 전도성 고분자의 전하 수송 메커니즘에 대한 근본적인 이해를 가능하게 해 열전소자 성능 향상뿐만 아니라 다양한 유기반도체 기반 전자소자 개발에 큰 도움이 될 것으로 예상된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 소재, 나노기술 및 과학 분야의 최고 권위 학술지 가운데 하나인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 1월 18일 자로 온라인 게재됐다. 연구는 한국연구재단의 우수신진연구자 지원 사업, 창의도전연구기반지원 사업, 지역대학우수과학자 사업, 정보기술 미래인재 교육 연구단의 BK21four 프로그램 지원 사업으로 수행됐다.