전기전도도와 열전 성능을 측정하기 위한 대면적 그래핀 나노메쉬 샘플 ./사진=KIST웨어러블 및 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 급증하면서 스스로 전기를 만드는 신개념 에너지 변환 재료의 개발 필요성이 증대되고 있다. 그 중 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 열전 기술이 주목받고 있다. 국내 연구진이 꿈의 나노 물질인 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 그래핀 나노메쉬 구조를 제작하고 높은 열전성능을 갖는 열전소자 개발에 성공했다.
한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀은 단일층 혹은 이중층의 그래핀에 마치 연탄처럼 10 나노미터(nm) 수준의 규칙적인 구멍을 형성한 그래핀 나노메쉬 구조를 제작했다. 이 구조는 그래핀의 열전도도를 획기적으로 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 된다. 연구진은 이 구조의 열전도도와 열전 특성을 세계 최초로 측정, 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다고 밝혔다.
열전재료의 성능은 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에 반비례한다고 알려져 있다. 그래핀은 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 열전 소재로는 적합하지 않았다.
본 연구진이 개발한 10 나노 수준의 그래핀 나노메쉬 구조는 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮췄다. 연구진은 나노 크기의 패턴을 만드는 나노리소그래피 기술을 통해 10 나노 이하의 대면적 나노 패턴을 그래핀 위에 형성할 수 있었고, 이를 통해 그래핀 소재의 열전달 현상 및 열전 특성의 분석이 가능할 수 있었다.
KIST 손정곤 박사는 “이번 연구는 유연 열전 소자의 적용에 새로운 패러다임을 제시할 것”이라며 “웨어러블 기기에 사용하는 전기 공급장치를 실현하는데 획기적인 해결책이 될 것”이라고 말했다.
미래창조과학부 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유연구사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘나노 에너지’에 3월 17일자 온라인 판에 게재되었다
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손정곤 KIST 광전하이브리드연구센터 박사. /사진=KIST
