2024.  3.  14.

저렴하고 친환경 소재로 폐열회수를 위한 획기적 열전소재 개발

산화아연과 그래핀 복합화를 통한 고성능 열전소재 구현

친환경 에너지 변환 기술에 응용 기대

전석우 교수팀 연구 결과 ‘Nature Communications’에 게재

□ 고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 전석우 교수 연구팀이 값싸고 친환경 소재를 이용하여 폐열회수를 위한 획기적인 열전소재 제작 방법을 개발했다.

□ 이번 연구는 한국표준과학연구원 신호선 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 개발되었다. 본 연구 결과는 세계적인 권위 학술지인 ‘Nature Communications(IF: 16.6)’에 3월 14일 오후 7시(한국 시간 기준)에 온라인 게재됐다.

* 논문명: High Figure-of-merit for ZnO Nanostructures by Interfacing Lowly-Oxidized Graphene Quantum Dots

* 저자정보: 최명우(제1저자, 고려대 박사후 연구원), 안주영(공동제1저자, 한국과학기술원 박사과정), 신호선(공동 교신저자, 한국표준과학연구원 책임연구원), 전석우(교신저자, 고려대 신소재공학과 교수)

□ ‘열전기술’은 열과 전기 사이의 에너지 변환 기술로써 자연계의 태양열이나 체열, 폐열 등의 버려지는 열을 전기로 변환시켜 에너지를 생산하는 친환경 에너지 변환 기술이다.

□ 일반적으로 열전기술을 통해 ‘열을 이용한 발전 효과’와 ‘전기를 이용한 냉각 효과’를 얻을 수 있으며, 전통적 산업에서의 폐열회수뿐 아니라, 에너지 하베스터, 자가 동력 센서 등 첨단 산업 분야까지 폭넓은 활용성으로 주목받고 있다.

□ 열전소재의 에너지 변환 효율은 ‘열전 성능 지수(zT)’에 의해 결정되며, 소재 내부에서 전기는 잘 통하되 열의 흐름은 억제해야 열-전기 변환 효율이 향상된다. 결과적으로, 높은 전기전도도와 제백계수(Seebeck coefficient)※, 그리고 낮은 열전도도를 가지는 소재를 설계하는 것이 필요하다.

※ 제백계수(Seebeck coefficient) : 열전소재 양단의 온도 차이를 전력으로 변환하는 정도.

□ 열전기술의 장점으로 인해 다양한 열전소재 연구개발이 진행되고 있지만, 높은 에너지 변환 효율을 보이는 열전소재는 값비싸고 독성을 갖는 물질에 국한되어 있다.

□ 연구팀은 값이 싸고 환경에 미치는 영향이 적은 데다 보편화된 공정으로 제작 가능한 산화아연(ZnO)에 주목했다. 산화아연은 열전도도가 높아 열이 빠르게 흘러가는 특성이 있는데, 이 때문에 낮은 열전 성능 지수를 갖는다는 단점이 있었다.

□ 연구팀은 산화아연의 열 흐름을 효과적으로 방해할 수 있는 첨단 나노 반도체 공정을 이용, 200~300나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 무수히 많은 구멍이 규칙적인 정렬 형태를 보이는 ‘3차원 나노-쉘 구조의 산화아연’을 제작했다.

□ 소재의 열은 ‘포논(Phonon)※’에 의해 전달되는데, 기존 벌크 산화아연과 달리 연구팀이 개발한 3차원 나노-쉘 구조의 산화아연은 수많은 나노구조 계면에서 포논의 이동을 효과적으로 방해하여 기존 보고된 산화아연 대비 열전도도를 약 10배 이상 감소시켰다.

※ 포논(Phonon) : 결정 격자의 양자화된 진동을 나타내는 준입자. 포논의 이동에 의해 소재 내부에 열이 흐른다.

□ 또 값싸게 대량생산이 가능한 그래핀 양자점(Graphene quantum dot, GQD)※을 코팅하여 산화아연 나노구조 계면 이외에 추가적인 그래핀 계면을 형성, 포논의 이동을 더욱 효과적으로 억제하여 기존 보고된 산화아연 대비 열전도도를 약 40배 이상 감소시켰다. 더불어, 그래핀 계면은 소재 양단의 온도 차에 의해 형성된 전압이 극대화되는 에너지 여과작용※을 효과적으로 유도하여 제백계수를 향상시켰다.

※ 그래핀 양자점(Graphene quantum dots, GQD): 육각형 벌집 탄소 구조로 이루어진 그래핀 구조를 나노미터 크기로 잘라낸 1차원 탄소 나노소재로 약 3.2 eV의 통제된 이산 에너지 밴드갭을 가지며, 탄소와 산소로 이루어져 독성이 없고 산소, 수분, 열 등에 안정함.

※ 에너지 여과작용(Energy filtering effect): 계면 에너지 장벽에서 낮은 에너지를 갖는 전하의 수송을 막고 높은 에너지를 갖는 전하만 선택적으로 수송하여 제백계수를 증가시키는 효과.

□ 결과적으로 열전도도의 비약적 감소와 제백계수의 향상을 통해 지금까지 보고된 산화아연 중 중온 영역에서(350℃) 가장 높은 열전 성능 지수(zT, 0.486)를 달성했다.

□ 연구팀이 새로 개발한 나노구조화 및 그래핀 복합화 전략은 그간 달성할 수 없었던 산화아연의 높은 열전 성능을 구현할 수 있는 발판을 마련했으며, 공장, 자동차, 전자소자 등에서 발생한 폐열을 이용해 전기를 생산하거나, 냉매가 필요 없는 전자식 열전냉각 장치로 활용될 수 있어 ‘친환경성’과 ‘경제성’의 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있을 것으로 기대된다.

□ 전석우 고려대 신소재공학부 교수는 “이번 연구는 열전 성능이 낮은 소재가 나노구조화 및 그래핀 복합화를 통해 높은 열전 성능을 갖는 고부가가치 소재로 활용될 수 있는 획기적 결과”라며 “가격, 환경 문제, 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전 발전 기술이 이번 연구를 통해 다양한 분야에서 폭넓은 응용이 기대된다”고 말했다.

□ 이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업과 미래기술연구실사업, 한국연구재단 기초연구사업의 리더연구자지원사업, 한국표준과학연구원 기본사업의 지원을 통해 수행됐다.

신소재공학부 (02-3290-3276)

커뮤니케이션팀 (02-3290-1063)