열에너지, 전기에너지로 변환
나노패턴 통해 열전성능 높여
나노패턴 통해 열전성능 높여
국내 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀으로 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 열전소자를 만드는 데 성공했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 손종곤 광전하이브리드연구센터 박사(사진)팀이 그래핀에 10㎚(나노미터·10억 분의 1m) 수준의 규칙적인 구멍을 뚫은 '그래핀 나노메시' 구조로 높은 열전성능을 지닌 열전소자를 개발했다고 27일 밝혔다.
그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 얇은 판 모양 소재로, 전기적 특성이 뛰어나다. 기존 열전재료의 성능은 온도변화에 따른 전력변화를 나타내는 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에는 반비례한다고 알려져 있다. 즉 열전소재가 되려면 전기전도도는 높고 열전도도는 낮아야 한다.
하지만 그래핀은 기존 소재들과 달리 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮은 특성을 가져 열전 성능을 높이는 데 걸림돌이 있었다.
연구팀은 그동안 이론 수준에서 제안되던 나노 크기의 패턴을 만드는 '나노리소그래피' 기술을 적용해 10㎚ 이하의 대면적 나노패턴을 그래핀 위에 만들었다. 이 그래핀 나노메시 구조는 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮췄다. 연구팀은 이 같은 현상이 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르면서 그래핀에서 열을 전달하는 가상 입자인 '포논'의 이동경로만 선택적으로 산란하기 때문이라는 사실도 규명했다.
손 박사는 "그래핀 나노패턴을 통한 열전특성 제어 기술은 휘어지는 열전소자 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것"이라며 "나노구조화된 저차원 소재와 유연 열전소재 원천연구, 웨어러블 자가 구동기기의 실현 등에 획기적인 해결책이 될 것"이라고 말했다. 이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지' 온라인판에 게재됐다. 남도영기자 namdo0@
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