KRICT 한국화학연구원

□ 한국화학연구원 연구진이 웨어러블 기기처럼 구부러진 열원(열 공급원)에서도 열을 전기에너지로 바꿔주는 열전소재를 개발했다.  

 ○ 유연하게 휘어지고 종이처럼 가벼워 열원의 형태와 관계없이 어디에든 부착할 수 있다. 이에 따라 몸에 부착하는 웨어러블 기기뿐만 아니라 경량화가 요구되는 자동차, 항공？우주분야 등에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

 ○ 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 에너지소재 분야 최고 권위지인 『어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials), IF:24.884』8월호 표지논문으로 선정됐다.

□ 한국화학연구원 화학소재연구본부 조성윤 박사팀은 스폰지형 유연 열전소재 탄소나노튜브(CNT？Carbon Nano Tube)* 폼(foam)을 개발했다. 이 열전소재는 스폰지처럼 내부에 기공이 무수히 많은 다공성 구조로 열전도도가 낮고, 자유자재로 휘어지는 특성을 지니고 있다.
    *탄소나노튜브: 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소 동소체로 나노기술, 전기공학, 광학,  재료공학 등 다양한 분야에서 유용하게 사용되는 소재

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

 ○ 하지만 기존 열전소자는 무겁고 유연하지 않아 깨지기 쉬웠다. 무기소재를 기반으로 한 탓이다. 이러한 탓에 신체나 다양한 곡면의 열원에서 전기를 생산하기 어려웠다. 제조공정 자체도 까다롭고 복잡해 고가였다.

 ○ 이에 전 세계 연구진들은 평면형태의 소자에서 벗어나기 위해 탄소나노튜브(CNT)에 주목했다. 탄소나노튜브는 전기전도도가 높고 기계적 강도가 강한데다, 지구상에 풍부하게 존재하는 소재다. 또 다공성과 표면적이 넓은 특성으로 인해 도핑(순수 반도체 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정)의 자유도가 높아 전기적 특성 개선도 용이하다.

 ○ 하지만 전기전도도가 높은 만큼 열전도도도 높아 열전소재 성능 최적화가 필요하며, 탄소와 탄소 간의 상호작용이 강한 탓에 열전소자에 적합한 두께로 적층하는 게 어려웠다.

□ 한국화학연구원 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 기반하여, 용매를 빠르게 증발시키는 방법을 이용했다.

 ○ 구체적으로 CNT를 물리적으로 분산시킨 용매를 지지체에 도포한 후, 용매를 빠르게 증발시켰다. 이를 통해 벌크형태의 CNT 폼(5㎜)을 만들었다. 기존의 기공이 거의 없는 CNT 필름과 비교해, 열전도도가 160배 이상 낮게 나타났다. 외부에서 열이 가해졌을 때 열전소재 내 온도차이가 2배 이상 증가해 우수한 열전 성능을 보인 것이다.

 ○ 또한 열원의 형태에 따라 자유자재로 부착할 수 있게 제작할 수 있다. 실험 결과, 10,000번 이상 굽혔다 펴는 과정을 반복해도 안정적인 전기적 특성을 유지했다. 이는 기공이 무수히 많아 변형에 강하기 때문이다.

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

 ○ 열전분야 시장 전망도 밝다. 현재 차량에서 사용하고 난 후의 열이나 온천수를 이용한 열전발전 시작품의 실증실험이 진행되고 있다. 앞으로 관련 기술 수요도 증가할 것으로 예측된다.

 ○ 이와 관련해 글로벌 마켓 리서치 회사인 IDTechEx의 시장조사*에 따르면 열전소자 세계 시장규모는 2018년 2억 7,400만 달러에서 2022년에는 7억 4,600만 달러로 연평균 약 54% 성장할 것으로 보인다.
    *IDTechEx(2014), Thermoelectric Energy Harvesting(열전에너지 하베스팅 시장전망) 2014∼2024, p.63/ 자세한 내용은 본 보도자료의 첨부자료 참고 바랍니다.

 ○ 한편, 이번 연구성과는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원으로 수행됐다.