화학硏, 유연하고 튼튼한 탄소나노튜브 열전 소재 개발

한국화학연구원 연구진이 개발한 탄소나노튜브 기반 열전 소재./한국화학연구원

국내 연구진이 탄소나노튜브를 열전 소재에 적용해 유연하고 형태를 쉽게 바꿀 수 있는 열전 발전 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 화학소재연구본부 한미정, 강영훈 책임연구원 연구팀이 탄소나노튜브와 비스무스–안티몬–텔루라이드(BiSbTe)를 다공성 폼 형태로 결합해 열전 성능을 극대화한 유연 열전 발전기를 개발했다고 13일 밝혔다.

열전소재는 열과 전기 간의 상호 변환이 가능한 소재를 말한다. 물체 간의 온도 차이를 이용해 전기를 만든다. 어떤 물체의 한 지점과 다른 지점에 온도 차이가 발생할 경우, 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 전하가 이동하며 전기가 생성되는 원리를 이용한 것이다.

기후변화 대응과 에너지 효율 향상을 위해 많은 연구기관이 열전소재를 이용한 발전 기술을 개발 중이다. 대부분은 금속 기반의 무기물을 이용해 열전소재를 만들고 있지만, 이 경우 유연성이 낮아서 적용할 수 있는 곳이 한계가 있었다. 사람의 몸에 착용하는 웨어러블 전자기기에는 사용이 힘든 단점이 있었다.

반면 유기물인 탄소나노튜브를 이용한 열전소재는 흐물흐물한 특성으로 형태 변형은 쉽지만, 열전 성능이 낮고 내구성이 떨어졌다.

연구팀은 유연한 특성은 유지하되, 낮은 성능 한계를 극복하기 위해 탄소나노튜브를 부피감 있는 구조로 제작하는 독자적 기술을 개발했다. 기존 유기 열전 소재는 액체를 얇게 굳힌 필름 형태로 만든다. 연구팀은 이런 방식을 쓰지 않고 틀에 재료 분말을 채우고 열을 가하면 몇 시간 뒤 스펀지처럼 굳어지는 방식을 사용했다.

스펀지처럼 내부에 구멍이 송송 뚫린 형태에다 열전 소재 물질을 균일하게 도핑했다. 그러자 필름 형태에 비해 내구성은 뛰어나고, 열전 성능도 개선할 수 있었다. 열전 성능 지수는 기존 필름 형태에 비해 5.7배 높아졌고, 1만회 이상의 반복 굽힘 테스트에서도 성능 저하가 거의 없었다. 기존 탄소나노튜브 제작 방식이 3일 이상 소요되는 것과 비교해 단 4시간 만에 고성능 열전소재를 제작할 수 있어 생산성도 높였다.

연구진은 “이번 연구는 기존 열전 발전 소재의 한계를 극복하고 유연한 에너지 하베스팅 기술을 발전시키는 중요한 성과”라고 평가했다. 연구팀은 도핑 공정을 개선해 2030년까지 실제 상용화에 나선다는 계획이다.

참고 자료

Carbon Energy(2025), DOI : https://doi.org/10.1002/cey2.650

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -