열을 전기로 바꾸는 성능이 우수한 열전소자가 개발됐다. 연구진은 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 '그래핀 나노 메시(mesh)' 구조로 만들었다.
손정곤 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 박사팀은 단일층이나 이중층 그래핀에 연탄 구멍처럼 10나노(㎚) 수준의 규칙적인 구멍을 형성해 그래핀 나노메시 구조를 제작했다. 이 구조는 그래핀의 높은 열전도도를 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 된다. 연구팀은 미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현했다. 이 구조 열전도도와 열전 특성을 측정해 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다.
열전재료 성능은 온도변화에 따른 기전력 변화인 열전계수와 전기전도도에 비례하고, 열전도도에 반비례한다고 알려져 있다. 그래핀은 기존 소재와 다른 특이성을 지니고 있다. 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 열전 특성의 극대화에 걸림돌이 되고 있다.
연구팀이 개발한 10나노 수준의 그래핀 나노메시 구조는 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르고 포논 움직임이 제어돼 포논 산란만을 선택적으로 유발한다. 포논 산란은 포논의 전달 현상이 결정 왜곡 부분에서 이동 경로가 바뀌는 현상이다. 이 구조는 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 낮췄다. 동시에 패턴으로 양자화되면서 밴드갭을 생성해 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증했다.
손정곤 KIST 박사는 “그래핀 나노패턴으로 열전특성 제어 기술은 최근 대안 에너지 하베스팅방법으로 떠오른 플렉시블 저온 열전소자의 적용에 새 패러다임을 제시할 것”이라며 “나노 구조화된 저차원 소재, 유연 열전소재의 원천 연구와 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것”으로 기대했다.
연구 결과는 에너지 분야의 학술지 '나노 에너지'에 17일자 온라인 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
