열-전기 에너지 효율 1,200배 증가시킨 3차원 구조 그래핀 개발

한국연구재단은 이현정 교수(국민대) 연구팀이 다공성 구조의 환원된 산화그래핀 필름을 새롭게 개발하여 열을 전기로 바꾸는 에너지의 발전 효율을 약 1,200배 증가시키고 2차원 구조 에너지 전달체의 한계를 벗어났다고 밝혔다.

탄소 원자로 이루어진 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막이다. 전기 전도도가 매우 우수하며 밀도가 작고 쉬운 추출과 가공 공정이 가능하여 ‘꿈의 소재’라 불린다. 기존의 무겁고 가공이 어려운 무기 열전재료를 대체할 수 있기 때문이다.

그러나 그래핀은 전기 전도도가 우수한 만큼 열 전도도도 높으므로 열전 성능지수(ZT)가 낮다. ZT를 높이기 위해서는 높은 전기 전도도를 가지면서 낮은 열 전도도를 가져야 한다.
열 전도도를 낮추기 위해서는 재료 내 전자의 밀도를 낮춰야 한다. 그러나 전자의 밀도를 떨어뜨리면 열 전도도와 동시에 전기 전도도도 떨어져버려 소자 성능 향상과 멀어진다. 특히 유기 재료의 전기 전도도를 높이면서 열 전도도를 떨어뜨리는 기술은 제한적이다.

이현정 교수팀은 ZT 성능을 높이기 위해 산화 그래핀과 고분자 콜로이드 입자를 이용하여 다공성 구조의 그래핀 필름을 개발했다. 교수팀은 다공성 구조 그래핀 필름의 열-에너지 전환 발전 효율이 약 1,200배 증가했음을 ZT를 통해 확인했다.

다공성 구조는 공극(구 형태의 빈 공간)을 통해 열 전달 현상을 효율적으로 제어가 가능하다. 전자는 상호 연결된 구조로 쉽게 전달되지만, 열은 공극으로 인해 전달이 어렵다.

이처럼 열 전도도가 낮은 패치형 소자는, 온도 차이를 이용해 효율적으로 전기 생산이 필요한 다양한 디바이스에 응용 가능성이 많아진다. 패치의 양면 온도 차이의 격차가 크면 클수록 그에 비례하여 전기 발생률이 높아지기 때문이다.

또한 다공성 구조 내 공극의 생성으로 그래핀의 2차원적 구조적인 한계를 벗어났다. 그래핀은 2차원 나노 물질의 패치형 에너지 소자이다. 때문에 이방성을 가지므로, 웨어러블 디바이스에 적용 시 본래의 기대 성능을 떨어뜨린다.

그러나 교수팀은 공극을 이용해, 그래핀을 3차원적 전자 전달 구조와 가깝게 변형시켰다. 이는 다양한 물리적 방향을 갖는 웨어러블 디바이스 등에 활용이 용이하다.
교수팀은 간단한 열처리를 통한 산소 제거 과정을 통해 다공성 구조의 그래핀 필름을 효율적으로 제작할 수 있었다.

제작된 산화 그래핀/폴리스티렌 필름을 열처리 후 산소를 제거해, 폴리스티렌 입자를 분해시켜 다공성 구조가 만들어진 것이다.
또한 열처리 중 폴리스티렌 입자 내의 탄소원자를 질소 원자로 대체시켰다. 전자가 하나 더 증가한 질소원자로 인해 전자 밀도가 높아져 전기 전도도가 상승했다.

이현정 교수는 “다공성 구조의 그래핀 필름은 효율적 열 전도도의 감소로 열전 성능을 향상시켰으며, 공정 과정도 열처리로 간편화하여 웨어러블 디바이스 에너지 소자 등으로 폭넓은 응용이 용이해졌다”라며 “해당 재료를 이용해 향후 웨어러블 소형 발전기 제작을 목표로 추진하고 있다”고 덧붙였다.

미래창조과학부·한국연구재단 기본연구사업 및 선도연구센터지원사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 미국 화학회의 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’지 온라인에 지난 2016년 10월 24일에 게재되었다.

질소가 다량으로 포함된 고분자 콜로이드 입자와 산화그래핀을 이용하여 필름 형태로 제작 후 열처리를 함으로써, 다공성 구조로 인한 열전도도의 감소를 유도함과 동시에 질소원자의 치환으로 인해 전자의 농도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시켜 열을 전기로 바꾸는 에너지 소자의 특성을 향상시켰다.

★ 연구 이야기 ★

이현정 교수

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 웨어러블 디바이스의 등장과 함께 배터리 문제가 지속적으로 증가하고 있는 상황이다. 이러한 관점에서 열-전기(thermoelectrics) 에너지 발전 연구는 많은 주목을 받고 있다. 하지만 기존 열-전기 에너지 변환 소재는 무기 재료 기반으로써 비용적인 측면과 높은 밀도로 인해 웨어러블 디바이스에 응용하기에는 한계점이 있다. 이를 보완하기 위해 전기적 특성이 우수하고 가볍게 제작할 수 있는 탄소 소재를 이용한 연구가 필요하다고 판단하여 연구를 시작하게 되었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 그래핀의 경우 ‘꿈의 소재’로 알려져 전기적 특성이 우수한 것으로 알려져 있지만, 또한 열전도도도 우수하여 열-전기 에너지 변환 소재로써 한계점이 보였다. 이를 극복하기 위해 다공성 구조로 제작을 하면 열전도도를 감소시킬 수 있다고 판단해, 콜로이드 입자와 산화 그래핀을 통해 다공성 구조의 필름을 제작했다. 또한 콜로이드 입자 표면에 질소원자를 가지고 있는 양전하 고분자 입자를 제작함으로써 환원시키는 과정을 통해 질소 원자가 치환되어 전자의 농도를 증가시키는 영향을 보여주었다. 따라서 열전도도 감소와 전기적 특성 향상을 통해 기존 그래핀 필름에 비해 약 1,200배 향상된 필름을 제작할 수 있었다.
 
Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지. 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 아직까지는 열전소자의 특성을 측정할 수 있는 장비가 국내에서 매우 제한적이기 때문에, 여러 가지 물성을 바로바로 측정하는데 어려움이 있었다. 국내 여러 기관을 방문해 측정했지만, 샘플의 보관 및 측정방법의 변형 등에 많은 제한이 있어 노력과 시간이 많이 투자되었다. 따라서 이에 대한 꾸준한 연구비 투자가 필요하다고 생각된다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 산화 그래핀과 고분자 입자를 이용하여 단순 열처리 공정을 통해 다공성 구조를 제작함과 동시에, 기존의 도핑방법이 아니라 단순한 고분자입자와의 열처리방법을 통해 그래핀 소재의 전자의 농도를 조절할 수 있었다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은.
A. 본 연구를 토대로 탄소 기반의 열-전기 에너지 변환 소재에 대한 가능성을 이용하여 실제 온도차를 통해 전기에너지로 변환시킬 수 있는 웨어러블 소형 발전기를 제작하는 목표를 가지고 있다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 열-전기 에너지 효율 1,200배 증가시킨 3차원 구조 그래핀 개발