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[IT뉴스]스펀지 같은 탄소나노튜브로 만든 열전 소재…성능 5.7배

온카뱅크관리자

2025-04-13 12:07:27

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 <img alt="탄소나노튜브(CNT)의 열전 성능 지수를 기존 대비 5.7배 향상하는 소재를 개발한 주요 연구진 사진. 오른쪽부터 한국화학연구원 배은진 선임연구원, 강영훈 책임연구원, 한미정 책임연구원, 박병욱 선임연구원. 화학연 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202504/13/dongascience/20250413120018910pbkd.png" data-org-width="680" dmcf-mid="1eCGiOSgeS" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202504/13/dongascience/20250413120018910pbkd.png" width="658">
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 탄소나노튜브(CNT)의 열전 성능 지수를 기존 대비 5.7배 향상하는 소재를 개발한 주요 연구진 사진. 오른쪽부터 한국화학연구원 배은진 선임연구원, 강영훈 책임연구원, 한미정 책임연구원, 박병욱 선임연구원. 화학연 제공
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 국내 연구진이 기존 탄소나노튜브(CNT)의 열전 성능 지수를 기존 대비 5.7배 향상하는 소재 기술을 개발했다. 탄소나노튜브의 소재를 스펀지처럼 만들어 자유로운 형태 변형도 가능하다. 움직임이 많은 웨어러블 기기 센서의 소규모 전력을 공급하는 용도로 활용이 기대된다.
 한국화학연구원은 강영훈 책임연구원 연구팀이 탄소나노튜브와 비스무스-안티몬-텔루라이드(BiSbTe)를 속이 뻥 뚫린 다공성 폼 형태로 결합해 열전 성능을 극대화한 유연 열전 발전기를 개발했다고 13일 밝혔다. 
 일반적으로 열전소재는 금속 기반의 무기물로 제작되지만 연구팀은 유기물인 탄소나노튜브를 활용해 열전소재를 개발했다. 금속 기반 열전소재는 성능이 높은 반면 유연성이 높지 않다는 단점이 있기 때문이다. 기존 탄소나노튜브 열전소재는 흐물흐물한 특성으로 형태 변형은 쉽지만 열전 성능이 낮고 기계적 내구성이 부족하다는 한계가 있다.
 연구팀은 탄소나노튜브의 유연한 특성을 유지하면서 낮은 성능 한계를 극복하기 위해 탄소나노튜브를 부피감 있는 구조로 제작하는 기술을 개발했다.
 일반적인 기존 유기 열전 소재는 액체를 얇게 굳힌 필름 형태로 만들어진다. 연구팀은 기존과 달리 다양한 모양의 틀에 재료 분말을 채우고 열을 가하면 몇 시간 뒤 스펀지처럼 굳어지는 방식을 사용했다. 동시에 열전 소재 물질을 내부 구멍에 균일하게 분포시키는 기술을 적용했다.
 소재의 형태를 고정하자 필름 형태와 비교했을 때 기계적 내구성이 향상됐다. 열전 성능도 극대화됐다. 불규칙한 구멍의 뼈대는 오리털처럼 열의 이동을 막아주었다. 열 이동이 느려지면 뜨겁고 차가운 부위별 온도 차이를 유지해 발전이 잘 되도록 만들었다.
 실험 결과 ‘탄소나노튜브-BiSbTe 폼’의 열전 성능 지수(zT)는 기존 탄소나노튜브 폼보다 5.7배 향상됐다. 개발한 열전 발전기를 유리관에 붙인 후 온수와 냉수를 번갈아 넣는 실험 결과 온도 차이가 21.8도(K·켈빈) 날 때 15.7마이크로와트(µW)의 전력을 생산했다. 
 1만회 이상의 반복 굽힘 테스트에서도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 확인했다. 이번 제조 공정은 기존 탄소나노튜브 제작 방식이 3일 이상 소요되는 것과 비교했을 때 단 4시간만에 고성능 열전소재를 제작할 수 있어 생산성이 높다는 게 특징이다.
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 <img alt="연구 성과가 실린 '탄소 에너지' 1월호 후면 표지. 화학연 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202504/13/dongascience/20250413120020316txcj.png" data-org-width="350" dmcf-mid="tPjsfakPel" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202504/13/dongascience/20250413120020316txcj.png" width="658">
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 연구 성과가 실린 '탄소 에너지' 1월호 후면 표지. 화학연 제공
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 연구팀은 향후 소재의 열전 성능을 더욱 개선하기 위해 도핑 공정을 활용한 연구를 진행할 계획이다. 2030년경에는 상용화가 가능할 것으로 예상했다. 탄소나노튜브 내부에 다양한 열 제어 소재를 추가해 배터리 발열 문제 해결, 인공지능(AI) 데이터센터 냉각 시스템, 겨울철 온도 유지 장치 등 새로운 응용 분야로 확대할 계획이다.
 연구팀은 “이번 연구는 기존 열전 발전 소재의 한계를 극복하고 유연한 에너지 하베스팅 기술을 발전시키는 중요한 성과”라고 말했다.
 이영국 화학연 원장은 “웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 센서 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 중요한 기술로 향후 에너지 자립형 전자기기 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘탄소 에너지’ 1월호 후면 표지 논문으로 게재됐다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1002/cey2.650
 [박정연 기자 hesse@donga.com]
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