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"구부러져도 괜찮아"···열전 소재 개발

조성윤 화학연 박사팀, 유연한 열전소재 탄소나노튜브 폼 연구
기존 CNT 필름 대비 160배 이상 열전도도 낮게 나타나
웨어러블기기, 항공·우주 분야에도 적용 가능
화학연 연구진이 웨어러블 기기처럼 구부러진 열 공급원(열원)에서도 열을 전기에너지로 바꿔주는 열전소재를 개발했다.   

개발한 소재는 유연하게 휘어지고 종이처럼 가벼워 열원의 형태와 관계없이 어디에든 부착할 수 있다. 몸에 부착하는 웨어러블 기기를 비롯해 경량화가 요구되는 자동차, 항공, 우주분야에도 적용 가능하다.  

한국화학연구원(원장대행 김창균)은 조성윤 화학소재연구본부 박사팀이 유연한 열전소재 탄소나노튜브(CNT) 폼(foam)을 개발했다고 20일 밝혔다.

이 열전소재는 스폰지처럼 내부에 기공이 무수히 많은 다공성 구조로 열전도도가 낮고, 자유자재로 휘어지는 특성이 있다. 

탄소나노튜브는 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소 동소체로 나노기술, 전기공학, 광학, 재료공학 등 다양한 분야에서 사용되는 소재이다.  

열전소재는 주변의 열에너지로 전기를 생산하거나, 반대로 전기에너지를 열로 바꿔주는 소재다. 열전소재를 이용한 열전발전은 체온이나 태양열, 전자기기와 산업시설에서 발생하는 열을 이용한다. 

기존 열전소자는 무기소재를 기반으로 해 무겁고 유연하지 않아 깨지기 쉬웠다. 신체나 다양한 곡면의 열원에서 전기를 생산하기 어려운데다, 제조공정도 까다롭고 복잡해 가격대가 높았다. 

전 세계 연구진들은 평면 형태의 소자에서 벗어나기 위해 탄소나노튜브(CNT)에 주목했다. 이는 전기전도도가 높고 기계적 강도가 강하고, 지구상에 풍부하게 존재하기 때문이다.

탄소나노튜브는 다공성과 표면적이 넓은 특성으로 순수 반도체 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정인 '도핑'의 자유도가 높아 전기적 특성을 개선하기에도 용이하다. 

하지만 전기전도도가 높은 만큼 열전도도도 높아 열전소재 성능 최적화가 필요하며, 탄소와 탄소 간 상호작용이 강한 탓에 열전소자에 적합한 두께로 적층하기 어려웠다.

이에 화학연 연구진은 열전도도가 낮고, 높게 적층할 수 있는 구조의 CNT 폼을 개발했다. CNT를 분산시키는 용매의 삼중점(기체, 액체, 고체가 평형상태에서 함께 존재할 수 있는 온도와 압력)에 기반해, 용매를 빠르게 증발시키는 방법을 이용했다.

즉 CNT를 물리적으로 분산시킨 용매를 지지체에 도포한 후, 용매를 빠르게 증발시켜 벌크형태의 CNT 폼을 만든 것이다. 

기존에 기공이 거의 없는 CNT 필름과 비교해, 열전도도가 160배 이상 낮게 나타났다. 외부에서 열이 가해졌을 때 열전소재 내 온도차이가 2배 이상 증가해 우수한 열전 성능을 보였다.

열원의 형태에 따라 자유자재로 부착할 수 있게 제작도 가능했다. 기공이 많아 변형이 강한 특성으로 1만번 이상 굽혔다 펴는 실험을 반복해도 안정적 전기적 특성을 유지했다. 

조성윤 화학연 박사는 "기존의 무겁고 딱딱한 무기기반 소재의 한계를 극복했다는 점에 의미가 있다"며 "새로운 소재 개발과 다양한 열전분야의 응용가능성을 확인했다"고 말했다.

이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'의 8월호 표지논문으로 선정됐다. 
다공성 CNT 폼 소재와 이를 이용한 유연 열전소자.<자료=한국화학연구원 제공>다공성 CNT 폼 소재와 이를 이용한 유연 열전소자.<자료=한국화학연구원 제공>
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