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열전기술은 열과 전기 사이의 에너지 변환 기술이다. 자연계의 태양열·체열·폐열 등 버려지는 열을 전기로 변환시켜 에너지를 생산하는 친환경 기술로 주목받고 있다. 통상 높은 에너지 변환 효율을 보이는 열전소재는 값비싸고 독성을 갖는 물질에 국한돼 있다.
연구팀은 값싸고 환경에 미치는 영향이 적은 데다 보편화된 공정으로 제작 가능한 산화아연(ZnO)에 주목했다. 산화아연은 열전도도가 높아 열이 빠르게 이동하는 특성을 갖는다. 이 때문에 낮은 열전 성능 지수를 갖는다는 단점이 있다.
연구팀은 산화아연의 열 흐름을 효과적으로 방해할 첨단 나노 반도체 공정을 이용, 200~300나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 ‘3차원 나노-쉘 구조의 산화아연’을 제작했다.
소재의 열은 준입자(포논, Phonon)에 의해 전달된다. 기존 벌크 산화아연과 달리 연구팀이 개발한 3차원 나노-쉘 구조의 산화아연은 포논의 이동을 효과적으로 방해, 기존 산화아연 대비 열전도도를 약 10배 이상 감소시켰다.
특히 값싸게 대량생산이 가능한 그래핀 양자점을 코팅해 추가적인 그래핀 계면을 형성했다. 포논의 이동을 효과적으로 억제, 기존 산화아연 대비 열전도도가 약 40배 이상 감소하는 것을 확인했다.
고려대는 “연구팀이 새로 개발한 나노구조화 및 그래핀 복합화 전략은 그간 달성할 수 없었던 산화아연의 높은 열전 성능을 구현할 수 있는 발판을 마련했다”며 “공장, 자동차, 전자소자 등에서 발생한 폐열을 이용해 전기를 생산하거나 냉매가 필요 없는 전자식 열전냉각 장치로 활용될 수 있어 친환경성과 경제성 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있을 것으로 기대된다”고 평가했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래기술연구실사업 등의 지원을 받아 수행했다. 전석우 고려대 신소재공학부 교수는 “이번 연구는 열전 성능이 낮은 소재가 나노구조화 및 그래핀 복합화를 통해 높은 열전 성능을 갖는 고부가가치 소재로 활용될 수 있는 획기적 결과”라며 “가격, 환경 문제, 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전 발전 기술이 이번 연구를 통해 다양한 분야에서 폭넓은 응용이 기대된다”고 말했다.
