스펀지형 CNT 적용…화학연, 高성능·유연 열전 발전기 개발

연구진이 개발한 CNT 기반 열전 소재와 유리관에 부착한 열전 발전기

국내 연구진이 스펀지처럼 만든 탄소나노튜브(CNT) 소재를 활용, 온도 차로 전기를 생산하는 '열전 발전기' 단점은 개선하고 장점은 강화하는데 성공했다. 자유로운 형태 변형으로 웨어러블 기기 센서 소규모 전력 공급 용도로 활용 가능하다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 한미정·강영훈 박사팀이 CNT, 비스무스-안티몬-텔루라이드(BiSbTe)를 다공성 폼 형태로 결합해 열전 성능을 극대화한 유연 열전 발전기를 개발했다고 13일 밝혔다.

보통 열전소재는 금속 기반 무기물로 제작하는데 연구팀은 유기물인 CNT를 활용해 열전소재를 개발해왔다.

금속 기반 열전소재는 열전 성능은 높지만 유연성이 높지 않은 반면, 기존 CNT 열전소재는 형태 변형은 쉬우나 열전 성능이 낮고 기계적 내구성도 부족하다.

연구팀은 유연 특성은 유지하되, 저성능 한계를 극복하고자 CNT를 부피감 있는 구조로 제작했다.

기존 유기 열전 소재는 액체를 얇게 굳힌 필름 형태로 만드는데, 연구팀은 모양이 다양한 틀에 재료 분말을 채우고 열을 가해 수 시간 뒤 스펀지처럼 굳히는 방식을 사용했다. 동시에 열전 소재 물질을 내부 구멍에 균일 분포시키는 기술을 적용했다.

이로써 소재 형태를 고정해, 필름 형태보다 내구성은 높이면서 열전 성능도 극대화할 수 있었다. 구멍이 불규칙한 뼈대가 열 이동을 막고, 열 이동이 느려지면 부위별 온도 차가 유지돼 발전이 용이하다.

실험 결과, CNT/BiSbTe 폼 열전 성능 지수(zT)는 기존 CNT 폼보다 5.7배 향상됐다. 온도 차이가 21.8도 날 때 15.7마이크로와트 전력을 생산했다. 저전력 온도 센서를 작동시킬 수 있는 수준이다.

주요 연구진. 오른쪽부터 배은진 연구원(1저자), 강영훈 책임연구원(교신저자), 한미정 책임연구원(교신저자), 박병욱 선임연구원(공동저자)

또 1만회 이상 반복 굽힘 테스트에서도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 확인했다. 특히 이번 제조 공정은 기존 CNT 제작 방식이 3일 이상 소요되는 것과 비교해 단 4시간만에 고성능 열전소재를 제작할 수 있다.

연구팀은 향후 열전 성능을 개선하고자 도핑 공정 활용 연구를 진행할 계획이다. 2030년경에는 상용화가 가능할 전망이다.

이영국 원장은 “웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 센서 등 다양한 분야에서 활용될 중요한 기술로, 에너지 자립형 전자기기 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 논문은 1월 '카본 에너지'에 후면 표지 논문으로 게재됐다

김영준 기자 kyj85@etnews.com