탄소나노튜브, 스펀지처럼 만들었더니, 열전소재 성능 5배 `UP`

화학연, 유연하고 열전성능 향상시킨 소재 개발
탄소나노튜브를 다공성 폼과 결합..내구성 향상

연구성과가 실린 '탄소에너지' 1월호 뒷면 표지 논문 이미지.

한국화학연구원은 탄소나노튜브를 스펀지처럼 만들어 유연하면서 열전 성능을 '유연 열전발전기'를 개발했다. 사진은 열전 소재와 유리관에 부착된 열전 발전기 모습. 화학연 제공

국내 연구진이 탄소나노튜브를 스펀지처럼 만들어 유연하면서 열전 성능이 높은 열전소재를 개발했다. 자유롭게 형태를 바꿀 수 있어 움직임이 많은 웨어러블 기기 센서의 소규모 전력 공급에 활용할 수 있을 전망이다.

한국화학연구원은 한미정·강영훈 박사 연구팀이 탄소나노튜브와 비스무스, 안티몬, 텔루라이드(BiSbTe)를 다공성 폼 형태로 결합해 열전 성능을 높인 '유연 열전 발전기'를 개발했다고 13일 밝혔다.

열을 전기로 전환하는 열전소재는 일반적으로 금속 기반의 무기물로 만든다. 이런 금속 기반의 무기물 열전소재는 열전 성능이 높지만, 깨지기 쉬워 자유로운 형태로 만들기 어렵고, 복잡한 제조 공정으로 초기 비용이 높은 한계가 있다. 전기전도도와 유연성이 높은 기존 탄소나노튜브 열전소재는 흐물흐물한 특성으로 형태 변형은 쉽지만, 열전 성능이 낮고 기계적 내구성이 부족하다.

연구팀은 탄소나노튜브를 얇은 필름 형태가 아닌 스펀지처럼 다공성 구조로 만들어 유연하면서 수많은 기공들을 균일하게 분포시켜 열전 성능을 높이는 기술을 개발했다. 틀에 재료 분말을 채워 열을 가해 굳게 만든 뒤 열전소재 물질을 내부 구멍에 균일하게 배치하는 방법으로 스펀지 형태의 탄소나노튜브를 제작했다. 내부 구멍 구조가 오리털과 같은 역할을 해 열의 이동을 막아주고, 열 이동이 느려지면서 부위별 온도 차이가 유지돼 발전이 잘 되는 원리다.

개발된 열전 소재의 성능은 기존 탄소나노튜브보다 5.7배 향상됐고, 개발한 열전 발전기를 유리관에 붙인 뒤 온수와 냉수를 번갈아 넣는 실험에서 21.8도의 온도 차이로 15.7마이크로와트의 전력을 생산했다. 또한 1만회 이상 반복 굽힘 테스트에서 성능 저하가 거의 없었고, 제조 공정도 기존 3일 이상에서 4시간으로 단축했다. 연구팀은 도핑 공정을 활용해 열전소재 성능을 높여 2030년 상용화할 계획이다. 아울러, 탄소나노튜브 내부에 다양한 열 제어 소재를 추가해 배터리 발열과 AI 데이터센터 냉각시스템, 겨울철 온도 유지 장치 등에 확대 적용할 예정이다. 한미정 화학연 박사는 "기존 열전발전 소재의 한계를 극복하고, 유연한 에너지 저장 기술 발전에 기여할 것"이라며 "앞으로 웨어러블 기기, 사물인터넷 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '탄소 에너지(지나 1월) 뒷면 표지 논문(사진)으로 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr