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'열·전기 에너지 효율 1200배 ↑' 3차원 구조 그래핀 개발

이현정 국민대 교수 "차세대 웨어러블 소형 발전기 제작 목표"
체온이나 외부 온도 차로 전기를 생산할 수 있는 차세대 웨어러블 탑재 기술 기반이 마련됐다.

이현정 국민대 교수 연구팀은 열을 전기로 바꾸는 에너지의 발전 효율을 약 1200배 증가시킨 3차원 구조의 그래핀을 개발했다고 1일 밝혔다.

탄소 원자로 이뤄진 그래핀은 전기 전도도가 매우 우수하며, 밀도가 작고 쉬운 추출과 가공 공정이 가능해 꿈의 소재라 불린다. 하지만 그래핀은 전기 전도도가 우수한 만큼 열 전도도가 높아 열에너지가 전기에너지로 변환되는 '열전 성능지수(ZT)'가 낮다. ZT를 높이기 위해서는 높은 전기 전도도를 가지면서 낮은 열 전도도를 가져야 한다.

열 전도도를 낮추기 위해서는 재료 내 전자의 밀도를 낮춰야 한다. 그러나 전자 밀도를 떨어뜨리면 열 전도도와 동시에 전기 전도도도 떨어져 소자 성능 향상과 멀어진다.

연구팀은 ZT 성능을 높이기 위해 그래핀과 고분자 '콜로이드' 입자를 이용해 다공성 구조의 그래핀 필름을 개발했다. 실험 결과 다공성 구조 그래핀 필름의 열·에너지 전환 발전 효율이 약 1200배 증가했음을 ZT를 통해 확인했다.

연구팀은 질소가 다량으로 포함된 고분자 콜로이드 입자와 산화그래핀을 이용하여 필름 형태로 제작 후 열처리를 함으로써, 다공성 구조로 인한 열전도도의 감소를 유도했다. 또한 이와 동시에 질소원자의 치환으로 인해 전자의 농도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시켜 열을 전기로 바꾸는 에너지 소자의 특성을 향상 시켰다.<사진=염구팀 제공>연구팀은 질소가 다량으로 포함된 고분자 콜로이드 입자와 산화그래핀을 이용하여 필름 형태로 제작 후 열처리를 함으로써, 다공성 구조로 인한 열전도도의 감소를 유도했다. 또한 이와 동시에 질소원자의 치환으로 인해 전자의 농도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시켜 열을 전기로 바꾸는 에너지 소자의 특성을 향상 시켰다.<사진=염구팀 제공>

그래핀과 같은 2차원 재료들은 본질적인 구조때문에, 필름의 물리적 성질(전기·열전도도)이 방향에 따라 변하는 '이방성'이 존재한다. 이는 필름형 열전모듈의 성능을 방해해 응용분야 적용이 어려웠다.

연구팀에 따르면 다공성 구조의 그래핀은 구 형태의 빈 공간(공극)을 통해 열 전달 현상을 효율적으로 제어가 가능하다. 이에 따라 연구팀은 간단한 열처리를 통한 산소 제거 과정을 통해 다공성 구조의 그래핀 필름을 효율적으로 제작했다.

제작된 그래핀은 공극을 이용해, 그래핀을 3차원적 전자 전달 구조와 가깝게 변형시켰다. 이는 다양한 물리적 방향을 갖는 웨어러블 디바이스 등에 활용이 용이하다.

이현정 교수는 "다공성 구조의 그래핀 필름은 효율적 열 전도도의 감소로 열전 성능을 향상시켰으며, 공정 과정도 열처리로 간편화해 웨어러블 디바이스 에너지 소자 등 폭넓은 응용이 용이해졌다"며 "해당 재료를 이용해 향후 웨어러블 소형 발전기 제작을 목표로 추진하고 있다"고 말했다.

이번 연구성과는 미국 화학회의 'ACS 어플라이드 머티어리얼즈 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 지난 10월 24일자 온라인판에 게재됐다.
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