화학硏, 구부러진 상태서도 열을 전기로 바꿔주는 열전소재 개발

웨어러블 기기, 자동차, 항공·우주분야에 적용 기대

【대전=뉴시스】 김양수 기자 = 한국화학연구원이 개발한 다공성 CNT 폼 소재 및 이를 이용한 유연 열전소자 모습.2019.08.20(사진=한국화학연구원 제공) [email protected]

【대전=뉴시스】 김양수 기자 = 한국화학연구원은 화학소재연구본부 조성윤 박사팀이 웨어러블 기기처럼 구부러진 열 공급원(열원)에서도 열을 전기에너지로 바꿔주는 열전소재를 개발했다고 20일 밝혔다.  

이번에 개발한 열전소재 탄소나노튜브(CNT·Carbon Nano Tube) 폼은 유연하게 휘어지고 종이처럼 가벼워 열원의 형태와 관계없이 어디에든 부착할 수 있다. 이로 몸에 부착하는 웨어러블 기기뿐만 아니라 경량화가 요구되는 자동차, 항공․우주분야 등에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 우수성을 인정받아 에너지소재 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)' 8월호 표지논문으로 선정됐다. 논문명은 'Freely Shapable and 3D Porous Carbon Nanotube Foam Using Rapid Solvent Evaporation Method for Flexible Thermoelectric Power Generators'다.

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

하지만 기존 무기소재를 기반으로 한 열전소자는  무겁고 유연하지 않아 깨지기 쉬운 단점을 갖고 있어 신체나 다양한 곡면의 열원에서 전기를 생산하기 어렵고 제조공정 자체도 복잡해 고가였다.

 이에 따라 연구자들은 전기전도도가 높고 기계적 강도가 강하며 지구상에 풍부하게 존재하는 탄소나노튜브(CNT)에 주목하고 있다.

하지만 CNT는 전기전도도가 높은 만큼 열전도도도 높아 열전소재 성능 최적화가 필요하며 탄소와 탄소 간 상호작용이 강한 탓에 열전소자에 적합한 두께로 적층하기가 어렵다.

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

조 박사는 “CNT를 물리적으로 분산시킨 용매를 지지체에 도포한 후 용매를 빠르게 증발시켜 벌크형태의 CNT 폼(5㎜)을 만들었다"면서 "기존 기공이 거의 없는 CNT 필름과 비교해 열전도도가 160배 이상 낮게 나타났다"고 설명했다.

높은 열전도 외에도 외부에서 열이 가해졌을 때 열전소재 내 온도차이가 2배 이상 증가해 우수한 열전 성능이 확인됐다.

또한 기공이 무수히 많아 변형에 강하기 때문에 열원의 형태에 따라 자유자재로 부착할 수 있다. 실험에서도 1만번 이상 굽혔다 펴는 과정을 반복해도 안정적인 전기적 특성을 유지하는게 검증됐다.

조성윤 박사는 “이번 스폰지형 유연 열전소재는 기존 무겁고 딱딱한 무기기반 소재의 한계를 극복했다는 점에 큰 의미가 있다”며 “새로운 소재 개발의 가능성은 물론 다양한 열전분야의 응용가능성을 확인했다”고 말했다.


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