화학연, 스폰지처럼 유연한 열전소재 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 온수관, 자동차 엔진, 웨어러블 기기 등의 다양한 곡면에 자유자재로 부착할 수 있고 1만번을 접었다 펴도 특성이 유지되는 유연한 열전소재가 개발됐다.

한국화학연구원 화학소재연구본부 조성윤 박사팀은 웨어러블 기기처럼 구부러진 열원에서도 열을 전기에너지로 바꿔주는 탄소나노튜브 기반의 열전소재를 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발한 소재는 스폰지처럼 내부에 기공이 무수히 많은 다공성 구조로 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 에너지소재 분야 최고 권위지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'의 8월호 표지논문으로 실렸다.

하지만 기존의 무기소재 기반의 열전소자는 무겁고 유연하지 않아 깨지기 쉽다. 따라서 신체나 다양한 곡면의 열원에서 전기를 생산하기 어려운데다 제조공정도 까다롭고 복잡해 고가였다.

이에 전 세계 연구진들은 전기전도도가 높고 기계적 강도가 강한 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)에 주목해 왔다. 탄소나노튜브는 다공성과 표면적이 넓은 특성으로 인해 도핑의 자유도가 높아 전기적 특성 개선도 용이하다. 하지만 전기전도도가 높은 만큼 열전도도도 높아 열전소재로 활용하기 어려웠다.

연구진은 열전도도가 낮고, 높게 적층할 수 있는 구조의 탄소나노튜브 폼을 개발했다. 탄소나노튜브를 물리적으로 분산시킨 용매를 지지체에 도포한 후, 용매를 빠르게 증발시키는 방법으로 벌크형태의 탄소나노튜브 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, 1만번 이상 굽혔다 펴는 과정을 반복해도 안정적인 전기적 특성을 유지했다. 이는 기공이 무수히 많아 변형에 강하기 때문이다.

최상국 기자의 다른 기사 보기

• 화학연 원장 후보 이미혜·이재흥·정명희 3인 압축

• 화학연-MIT, 페로브스카이트 태양전지 효율 신기록 세워