탄소 나노튜브를 이용한 유연한 고성능 n형 열전 변환 필름 제작 최초 성공

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-27

우리 생활 속에서 발생하는 엄청난 열 에너지를 이용하기 위해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 재료의 개발 연구가 주목을 받고 있다. 큐슈 대학 대학원 공학 연구원 / 탄소 중립 에너지 국제 연구소 (I2CNER)의 연구 그룹은 탄소 나노튜브(CNT)의 내부 공간에 코발토센이라는 분자를 내포시킴으로써 지금까지 제작이 곤란했던 고성능 n형 열전 재료(전하를 운반 담당자가 전자 성질을 가진 열을 전기로 바꾸는 물질)의 개발에 처음으로 성공했다. 제작한 재료는 가볍고 유연한 시트 형상이기 때문에 임의 형상의 열원에 붙이는 것만으로도 발전을 할 수 있는 시트의 개발이 가능해 에너지를 낭비없이 사용할 수 있는 사회의 실현에 공헌할 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 2015년 1월 22일(목) 오전 10시(영국 시간) 과학 잡지 Nature의 자매지인 온라인 저널 `ScientificReports`에서 공개되었다. 우리가 사용하는 전기 에너지는 주로 화석 연료를 사용하여 생산되고 있으며, 화석 연료 에너지도 100% 활용할 수 있는 것은 아니고, 많은 에너지가 열로 버려지고 있는 것이 현실이다 . 또한 주변에도 이용되고 있지 않는 열원이 많이 존재하고 있다. 이러한 열에너지를 전기 에너지로 재사용 및 활용할 수 있다면, 에너지 절약 사회의 실현으로 이어질 것으로 기대됨에 따라, 열 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 열전 변환 재료의 개발이 전 세계적으로 진행되고 있다. 지금까지 실용화된 열전 재료는 무기 재료로 만들어진 것이 일반적이지만, 희귀 금속을 사용하기 때문에 값이 비싸고 무거우며, 취성라는 점에서 극히 일부의 용도로 한정되고 있는 것이 현실이다. 따라서, 주변에 존재하는 다양한 열원에서 열 에너지를 회수하기 위해서는 저렴하면서 가볍고, 유연성이 있는 유기 물질로 만들어진 열전 변환 재료의 개발에 관심이 쏠리고 있다. 그러나 무기 재료와 비교하여 유기 물질은 열전 변환 성능(열을 전기로 바꾸는 효율)이 낮아 성능의 향상이 요구되고 있다. 또한, 고성능 열전 변환 장치를 구성하기 위해서는 p형(전하를 운반 담당자가 정공)과 n형(전하를 운반 담당자가 전자)의 다른 열전 재료가 필요하지만, n 형 열전 변환 재료 개발은 p형 열전 재료에 비해 늦어지고 있는 것이 현실이다. 유기 열전 변환 재료의 고성능화를 목표로 우수한 전기 전도도를 갖는 탄소나노 튜브(CNT)가 주목 받고 있다. 그러나, CNT는 p형 열전 변환 특성을 보여주기 때문에, 고성능 열전 변환 장치를 구성하기 위해서는 p형에서 n형으로 물성을 변환해야 한다. 많은 연구에서는 p형에서 n형으로 물성을 변환하는 분자(불순물)와 CNT를 혼합하여 CNT의 물성을 제어하고 있다. 그러나 이 방법은 불순물이 쉽게 CNT 표면에서 탈착하여 안정한 물성을 얻기가 어렵다고 생각된다. 연구 그룹은 불순물을 CNT 내부의 나노 공간에 수납함으로써, 뛰어난 열전 변환 성능을 가지는 유연한 CNT 시트를 개발했다(그림 1 (A)). 불순물에 해당하는 코발토센(Cobaltocene)을 CNT 내부에 수납하면, 전하 이동 상호 작용은 CNT 시트에서 전하 소지자가 정공에서 전자로 변화하고 n형 열전 변환 물성을 나타냈다. 또한, CNT 시트의 전기 전도도의 향상도 있어 높은 열전 변환 성능을 보여주었다. 코발토센 내포 CNT 시트의 열전 성능 지수는 약 0.16이며, 지금까지 보고된 n형 유기 열전 변환 재료 중에서 높은 값을 나타냈다. 또한, 얻은 CNT 시트는 유연해서 여러 번 구부릴 수 있다 (그림 1 (B)). 본 연구에서는 CNT의 내부 공간에 분자를 내포하는 것에 의한 CNT의 물성 제어 및 분자 내포 CNT 시트로 이루어지는 열전 재료를 개발하여, 고성능 플렉시블 유기 열전 변환 재료를 얻기 위한 하나의 유력한 방법을 처음으로 제시했다. 유기 열전 변환 재료의 실용화에는 그 낮은 열전 변환 성능과 안정성이 걸림돌이 되고 있었다. 특히, 실용화를 위해서는 열전 변환 성능이 1.0 이상이라는 높은 수치가 필요하다. 그러나, 동시에 열전 변환 성능 및 안정성을 향상시킴으로써, 경량이면서 유연하다는 특징을 갖는 유기 열전 변환 재료의 실용화 가능성이 높아진다. http://www.kyushu-u.ac.jp/pressrelease/2015/2015_01_23_1.pdf