- 체온 및 외부 온도 차로 전기 생산하는 차세대 웨어러블 적용 기대

한국연구재단은 이현정 교수(국민대) 연구팀이 다공성 구조의 환원된 산화그래핀 필름¹⁾을 새롭게 개발하여 열을 전기로 바꾸는 에너지²⁾의 발전 효율을 약 1,200배 증가시키고 2차원 구조 에너지 전달체의 한계를 벗어났다고 밝혔다.

1) 환원된 산화그래핀: 산소작용기를 포함한 탄소 단원자층이 화학적 또는 물리적으로 환원된 물질을 말하는 것으로, 벌집모양을 한 2차원 탄소평면이 켜켜이 쌓인 구조다.
2) 열을 전기로 바꾸는(thermoelectrics)  에너지: 소재의 양쪽끝에 온도차를 주면 전력이 발생하는 제벡효과를 이용해 전기에너지를 생산하는 기술

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)³⁾가 낮다. ZT를 높이기 위해서는 높은 전기   전도도를 가지면서 낮은 열 전도도를 가져야 한다.

3) 열전 성능지수(ZT): 해당 지수가 높을수록 열과 전기 간 변환 성능이 높다는 것을 의미한다. ‘열전’은 열 에너지와 전기 에너지를 상호 변환할 수 있는 기술이다.

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 콜로이드⁴⁾ 입자를 이용해 다공성 구조의 그래핀 필름을 개발하였다. 교수팀은 다공성 구조 그래핀 필름의 열-에너지 전환 발전 효율이 약 1,200배 증가했음을 ZT를 통해 확인했다. 

4) 고분자 콜로이드 입자: 입자의 직경이 ~102 nm(1 nm=10-9 m, 보통 성인 머리카락의 두께는 ~10-6 m 이고 머리카락을 두께 방향으로 1000등분으로 나누면 나오게 되는 길이)되는 구형태의 고분자입자

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 소자다. 때문에 이방성⁵⁾을 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.

5) 이방성(anisotropy): 재료의 방향에 따라 물리적 특성이 변하게 되는 것을 뜻한다. 예를 들어 그래핀 필름의 경우 필름의 수직 방향과 평면 방향의 전기 전도도와 열전도도에서 차이가 나게 된다.

교수팀은 간단한 열처리를 통한 산소 제거 과정을 통해 다공성 구조의 그래핀 필름을 효율적으로 제작할 수 있었다. 제작된 산화 그래핀/폴리스티렌⁶⁾ 필름을 열처리 후 산소를 제거해, 폴리스티렌 입자를 분해시켜 다공성 구조가 만들어진 것이다.

6) 폴리스티렌 (Polystyrene): 스티렌 단분자(styrene monomer)를 통해 만들어 지는 고분자. 가공하기 쉬운 장점을 가지고 있으며, 플라스틱 용기에 PS라고 표시된 것들을 칭한다.

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.