구부러진 곡면의 버려지는 열까지 전기로 바꾼다

↑ 한국화학연구원이 개발한 탄소나노튜브(CNT) 열전소재 폼. 가볍고 유연해 열 공급원의 형태에 관계 없이 어디든 부착해 사용할 수 있다. [사진 제공=한국화학연구원]

국내 연구진이 웨어러블 기기, 자동차, 항공기 등의 구부러진 표면에서 감지되는 열로 전기를 생산할 수 있는 열전소재를 개발했다. 가볍고 유연한 소재로 어디든 부착할 수 있어 스스로 전력을 공급하는 다양한 기기를 개발하는 데 도움이 될 것으로 전망된다.
조성윤 한국화학연구원 화학소재연구본부 책임연구원 연구진은 탄소나노튜브(CNT)를 이용해 구부러진 곡면의 열 공급원(열원)에서도 열을 전기에너지로 바꿔 주는 폼 형태의 열전소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스' 8월호 표지논문으로 발표됐다.
열전소재는 주변의 열에너지로 전기를 생산하거나 반대로 전기에너지를 열로 바꿔 주는 소재를 말한다. 기존의 열전소재는 무겁고 유연하지 않아 평평한 표면에만 활용할 수 있었고 깨지기도 쉬웠다. 제조공정 자체도 까다롭고 복잡해 비용이 많이 들었다. 탄소나노튜브의 경우 전기전도도가 높은 만큼 열전도도 역시 높아 열 손실이 클 뿐만 아니라 적합한 두께로 적층하는 게 어려웠다.
반면 이번에 개발된 열전소재는 스폰지처럼 내부에 기공이 무수히 많은 5㎜ 두께의 다공성 구조로 열전도도가 낮고, 자유자재로 휘어지는 특성을 지녔다. 기존의 기공이 거의 없는 탄소나노튜브 필름과 비교해 열전도도가 160배 이상 낮은 것으로 나타났다. 또 종이처럼 가벼워 열원의 형태와 관계없이 어디든 부착이 가능하다. 탄소나노튜브를 용매에 담근 뒤 용매를 빠르게 증발시키는 방법을 이용한 결과다.
연구진의 실험 결과에 따르면 이 열전소재는 1만 번 이상 굽혔다 펴는 과정을 반복해도 안정적인 전기적 특성을 유지했다. 기공이 많아 구조가 변형에 강하기 때문이라는 게 연구진의 설명이다. 조 연구원은 "이번 스폰지형 유연 열전소재는 기존 무겁고 딱딱한 무기기반 소재의 한계를 극복했다는 점에 큰 의미가 있다"며 "새로운 소재 개발의 가능성은 물론 다양한 열전분야의 응용가능성을 확인했다"고 밝혔다.
[송경은 기자]