KIST, ‘그래핀’에 구멍뚫어 뛰어난 열전소자 소재개발

향후 웨어러블, 플렉시블 열전소자에 적용 기대

손정곤 KIST 박사

국내 연구진이 ‘꿈의 나노 물질’로 불리는 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 ‘그래핀 나노메쉬’ 구조를 제작, 열전도도를 제어하면서도 높은 열전성능을 갖는 열전소자 개발에 성공했다.

이 소재는 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환시킬 수 있어 향후 원격 의료기기 및 loT 모바일 기기 등의 자가 전원으로 널리 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사 연구팀이 단일 또는 이중층의 그래핀에 구멍을 뚫어 그래핀 나노메쉬 구조를 제작, 그래핀의 열전도도를 크게 낮추고 높은 열전계수를 확보했다고 밝혔다.

‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 그동안 열전소자 소재로는 적합하지 못하다는 평가를 받아왔다. 열전재료의 성능은 온도변화에 따른 기전력 변화인 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에 반비례기 때문이다.

손 박사 연구팀은 10 나노(nm) 수준의 그물형태의 ‘그래핀 나노메쉬’ 구조를 제작, 전기전도도는 유지되면서도 열을 전달하는 전자의 손실을 없애 열전도도를 크게 낮췄다. 동시에 ‘그래핀 나노메쉬’ 구조가 양자화되면서 밴드갭을 생성, 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증했다.

손 박사 연구팀은 또 나노리소그래피기술을 통해 10 나노(nm) 이하의 대면적 나노 패턴을 그래핀 위에 형성할 수 있었고, 이를 통해 초미세 패턴된 그래핀 소재의 열전달 현상 및 열전 특성의 분석이 가능할 수 있었다고 설명했다.

KIST 손정곤 박사는 “이번 연구의 ‘그래핀 나노메쉬’ 구조를 통한 열전특성 제어 기술은 나노 구조화된 저차원 소재, 유연 열전소재의 원천 연구 및 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유연구사업, 국가과학기술연구회(이사장 이상천) R&D 컨버전스 프로그램의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Nano Energy’에 3월 17일(금)자 온라인 판에 게재됐다.