열-전기 에너지 효율 1,200배 증가시킨 3차원 구조 그래핀 개발- 체온 및 외부 온도 차로 전기 생산하는 차세대 웨어러블 적용 기대

열-전기 에너지 효율 1,200배 증가시킨 3차원 구조 그래핀 개발- 체온 및 외부 온도 차로 전기 생산하는 차세대 웨어러블 적용 기대

 

등록일 2016-12-05

 

열-전기 에너지 효율 1,200배 증가시킨 3차원 구조 그래핀 개발
- 체온 및 외부 온도 차로 전기 생산하는 차세대 웨어러블 적용 기대-
 
         
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 이현정 교수(국민대) 연구팀이 다공성 구조의 환원된 산화그래핀 필름*을 새롭게 개발하여 열을 전기로 바꾸는 에너지**의 발전 효율을 약 1,200배 증가시키고 2차원 구조 에너지 전달체의 한계를 벗어났다고 밝혔다.
  * 환원된 산화그래핀 : 산소작용기를 포함한 탄소 단원자층이 화학적 또는 물리적으로 환원된 물질을 말하는 것으로, 벌집모양을 한 2차원 탄소평면이 켜켜이 쌓인 구조이다.
  ** 열을 전기로 바꾸는(thermoelectrics)  에너지 : 소재의 양쪽끝에 온도차를 주면 전력이 발생하는 제벡효과를 이용하여 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.
 o 그러나 그래핀은 전기 전도도가 우수한 만큼 열 전도도도 높으므로 열전 성능지수(ZT)*가 낮다. ZT를 높이기 위해서는 높은 전기   전도도를 가지면서 낮은 열 전도도를 가져야 한다.
  * 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.(이전 미래부 보도자료 참고)
 o 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 콜로이드* 입자를 이용하여 다공성 구조의 그래핀 필름을 개발하였다. 교수팀은 다공성 구조 그래핀 필름의 열-에너지 전환 발전 효율이 약 1,200배 증가했음을 ZT를 통해 확인했다.
  * 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.
 o 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.
 o 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.
 o 또한 다공성 구조 내 공극의 생성으로 그래핀의 2차원적 구조적인 한계를 벗어났다. 그래핀은 2차원 나노 물질의 패치형 에너지   소자이다. 때문에 이방성을 가지므로, 웨어러블 디바이스에 적용 시 본래의 기대 성능을 떨어뜨린다.
 o 그러나 교수팀은 공극을 이용해, 그래핀을 3차원적 전자 전달   구조와 가깝게 변형시켰다. 이는 다양한 물리적 방향을 갖는 웨어러블 디바이스 등에 활용이 용이하다.
  * 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.
 o 제작된 산화 그래핀/폴리스티렌* 필름을 열처리 후 산소를 제거해, 폴리스티렌 입자를 분해시켜 다공성 구조가 만들어진 것이다.
  * 폴리스티렌 (Polystyrene) : 스티렌 단분자 (styrene monomer)를 통해 만들어 지는 고분자. 가공하기 쉬운 장점을 가지고 있으며, 플라스틱 용기에 PS라고 표시된 것들을 칭한다.
 o 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.

□ 미래창조과학부·한국연구재단 기본연구사업 및 선도연구센터지원사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 미국 화학회의 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’지 온라인에 지난 10월 24일 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Simultaneous Nitrogen Doping and Pore Generation in Thermo-Insulating Graphene Films via Colloidal Templating
   - 저자 정보 : 박현우(국민대 신소재공학과), 이정민(국민대 신소재공학과), 임호선(전자부품연구원), 구혜영(한국과학기술연구원 전북분원), 이원목(세종대 화학과), 이현정(국민대 신소재공학과)

□ 논문의 주요 내용
 

 1. 연구의 필요성
   ○ 무기재료를 대체할 수 있는 그래핀의 열-전기 에너지 재료가 개발되고 있으나, 높은 열전도도로 인하여 낮은 열전 성능지수를 나타내고 있다.
   ○ 효율적인 전자 전달을 위해 그래핀의 전자의 농도를 조절하는 것이 필요하다.

 2. 발견 원리
   ○ 양전하 폴리스티렌(Polystyrene) 입자 표면에 질소를 포함하고 있어 다공성 구조를 제작 할 시 질소원자가 치환될 수 있는 점을 이용하였다.
   ○ 산화 그래핀과 양전하 폴리스티렌(Polystyrene) 입자를 수용액에 분산시켜 필름을 얻은 후 열처리를 하게 되면 다공성 구조를 얻음과 동시에 전자의 농도를 증가시킬 수 있는 것을 유도한다.

 3. 연구 성과
   ○ 전자의 농도 증가와 다공성 구조로 인하여 열-전기 성능 지수가 기존 그래핀 필름에 비해 약 1200배 증가하는 결과를 나타내게 되었다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 컴퓨터의 등장 이후 전자기기는 계속 소형화되고 있으며, 최근에는 스마트 웨어러블 디바이스를 통해 다양한 네트워크 서비스를 이용하려는 연구가 진행되고 있다. 웨어러블 디바이스의 장점은 언제 어디서나 다양한 정보를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 아직 배터리출력과 용량에 대한 문제점이 해결되지 않고 있다. 그 해결방안으로 체온을 이용하는 열전발전은 차세대 웨어러블 소자의 에너지원의 하나가 될 수 있다.
  ㅇ 열전발전이란 P형과 N형이 접합되어 있는 열전소자의 양단에 온도차를 주면 기전력이 발생하는 제벡효과를 이용하여 전기에너지를 생산하는 기술이다. 열전소자는 온도차만으로 발전이 가능하기 때문에 연료가 필요 없으며 소음이 발생하지 않는 장점이 있다. 하지만 현재 열전소자는 주로 세라믹을 이용한 열전모듈을 이용하여 냉각용 쿨러 및 연료 효율을 높이기 위한 용도로 사용되고 있다.
  ㅇ 세라믹을 이용한 열전소자는 열전 모듈의 수가 증가하면 무게가 무거워지기 때문에 웨어러블 디바이스에 적용하기 어렵다. 이 문제점을 개선하기 위해 유기재료를 이용하면 가능하다. 유기재료를 이용하여 열전소자를 만들면 경량화가 가능하고 집적화가 가능하며, 소재가 매우 유연하기 때문에 프린팅 공정을 통하여 간단하게 가공할 수 있다. 이러한 휘어지는 특성을 가지는 열전 재료는 스마트 패션용 에너지원으로 활용될 수 있다. 대표적인 유기열전재료 후보 중 하나인 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 우수한 기계적 성질과 전기적 성질을 가지고 있어, 차세대 열전재료로서 우수한 성질을 가지고 있고, 밀도 또한 ~1 g/cm3 정도로 가벼워 웨어러블 기기용 열전소자의 집적화에도 용이하다.
  ㅇ 열전발전이 산업화 및 상용화되기 위해서는 열전재료의 성능을 높이는 것뿐만 아니라 열전소자의 다양한 분야에서의 응용적인 측면과 열전소자 제작의 효율적인 측면에서 지속적으로 연구가 되어야한다.

 2. 연구내용
  ㅇ 본 연구에서는 질소가 다량 함유된 고분자 콜로이드 입자와 그래핀 복합재료를 함께 열처리함으로써, 탄소원자 대신 질소원자로 도핑이 된 N형 그래핀 재료를 합성함과 동시에, 상호연결된 다공성 네트워크 구조를 제작하였다.
  ㅇ 고분자 콜로이드 입자와 그래핀 분산액의 혼합용액을 이용하여 복합필름을 만든후, 열처리를 하게되면 다공성 필름을 얻을 수 있다. 이 다공성 구조는 전자는 전달되지만, 포논은 산란되는 열전재료로써 매우 효과적인 구조를 제시한다. 이때, 질소를 다량으로 함유한 콜로이드 입자를 사용함으로써, 다공성구조를 제조함과 동시에 P형이였던 그래핀재료를 N형으로 간단하게 전환할 수 있었다.
  ㅇ 기존의 무기 반도체 재료 기반 열전소재와는 달리, 유기재료 기반 열전재료는 P형, N형을 각각 확보하는데 있어 한계가 있어왔다. 이전의 연구에서는 N형 유기 반도체 재료를 준비하기 위하여, 특정원소(질소 또는 황 등)가 포함된 물질로 화학적 또는 물리적 처리를 하든가, 특정 기능기를 포함한 고분자물질을 합성하는 방법이 제시되어 왔다. 그러나 이 방법들은, 공기중에서 매우 쉽게 변하기 때문에 추가적인 공정이 어렵거나, 전기전도도 등이 감소하는 등의 단점이 보고되어 왔다.
  ㅇ 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 1차원, 2차원 재료들은 본질적인 구조때문에, 필름의 물리적 성질(전기 및 열전도도)이 방향에 따라 변하는 이방성이 보고 되어왔으며, 이는 필름형 열전모듈의 성능을 방해하며, 응용분야를 폭넓게 적용하는데 문제가 되어왔다.
  ㅇ 본 연구에서 제시된 다공성 구조를 가지는 이차원 물질의 필름은, 이러한 이방성 물리적 특성의 한계를 극복하여 전기 및 열전도도의 등방성을 가지는 열전필름을 확보함으로써, 웨어러블 디바이스 및 스마트 패션의 열전소자모듈의 성능을 향상시키는데 기여하게 되였다.

3. 기대효과
  ㅇ 유기재료를 이용한 열전모듈의 제작으로 다양한 형태의 열전소자 제작이 가능하며 추후3D 프린팅을 이용한 사용자 중심의 제작 방식을 적용할 수 있다. 또한 밀도가 작은 유기재료를 기반으로 한 열전소자이기 때문에 가벼워서 열전모듈의 집적화가 가능하고 웨어러블 디바이스 및 스마트 패션의 에너지원으로의 적용이 가능하다. 유연성 및 경량성이 확보된 본 연구를 통한 결과물은 다양한 디자인을 요구하는 전자제품 및 인체맞춤형소자에 적용될 수 있다. 그래핀 뿐만 아니라, 다른 탄소 기반 다양한 유기열전재료의 적용이 가능하게 되며 열전소자의 다양한 분야로의 적용 가능성을 확장할 것이다.
  ㅇ 현재까지 열전발전은 산업 또는 가정에서 발생하는 폐열을 이용하여 연료의 효율을 높이는 고온용 에너지 하베스팅용으로 주로 사용되었다. 하지만 본 연구를 통해 보다 간단한 공정으로 유연한 열전소자를 제조하게 됨으로써, 차세대 대체 에너지원의로의 개발방향이 개척될 것이다.
  ㅇ 특히, 휴대가능한 열전발전기기술은  체온 및 전자제품의 폐열을 능동적으로 회수한다는 개념으로 적용가능한 수준일 경우, 노트북, 휴대폰, 의류 등 광범위하게 응용이 가능하며,  IT및 헬쓰케어 관련 열관리소재 산업의 육성의 일환으로 연구개발 인프라 구축할 수 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

웨어러블 디바이스의 등장과 함께 배터리 문제가 지속적으로 증가하고 있는 상황이다. 이러한 관점에서 열-전기 (thermoelectrics) 에너지 발전 연구는 많은 주목을 받고 있다. 하지만 기존 열-전기 에너지 변환 소재는 무기 재료 기반으로써 비용적인 측면과 높은 밀도로 인하여 웨어러블 디바이스에 응용하기에는 한계점이 있다. 이를 보완 하기 위해 전기적 특성이 우수하고 가볍게 제작할 수 있는 탄소 소재를 이용한 연구가 필요하다고 판단하여 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

그래핀의 경우 ‘꿈의 소재’로 알려져 전기적 특성이 우수한 것으로 알려져 있지만, 또한 열전도도도 우수하여 열-전기 에너지 변환 소재로써 한계점을 보였다. 이를 극복하기 위해 다공성 구조로 제작을 하면 열전도도를 감소 시킬 수 있다고 판단하여, 콜로이드 입자와 산화 그래핀을 통해 다공성 구조의 필름을 제작하였다. 또한 콜로이드 입자 표면에 질소원자를 가지고 있는 양전하 고분자 입자를 제작함으로써 환원시키는 과정으로 통해 질소 원자가 치환되어 전자의 농도를 증가시키는 영향을 보여주었다. 따라서 열전도도 감소와 전기적 특성 향상을 통해 기존 그래핀 필름에 비해 약 1200배 향상된 필름을 제작할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

아직까지는 열전소자의 특성을 측정할 수 있는 장비가 국내에서 매우 제한적이기 때문에, 여러 가지 물성을 바로바로 측정하는데 어려움이 있었다. 국내 여러기관을 방문하여 측정을 하였지만, 샘플의 보관 및 측정방법의 변형등에 많은 제한이 있어 노력과 시간이 많이 투자되었다. 따라서, 이에 대한 꾸준한 연구비 투자가 필요하다고 생각된다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

산화 그래핀과 고분자 입자를 이용하여 단순 열처리 공정을 통해 다공성 구조를 제작함과 동시에, 기존의 도핑방법이 아니라 단순한 고분자입자와의 열처리방법을 통해 그래핀 소재의 전자의 농도를 조절할 수 있었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

본 연구를 토대로 탄소 기반의 열-전기 에너지 변환 소재에 대한 가능성을 이용하여 실제 온도차를 통해 전기에너지로 변환 시킬 수 있는 웨어러블 소형 발전기를 제작하는 목표를 가지고 있다.

용 어 설 명

1. 열-전기 현상 (Thermoelectric effect)
 ○ 재료에 온도차가 발생하게 되면 전자의 확산을 통해 전하가 이동하게 되는 현상으로써, 이러한 현상을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환 시킬 수 있다.

그 림 설 명

              
그림 1. 질소가 다량으로 포함된 고분자 콜로이드 입자와 산화그래핀을 이용하여 필름 형태로 제작 후 열처리를 함으로써, 다공성 구조로 인한 열전도도의 감소를 유도함과 동시에 질소원자의 치환으로 인해 전자의 농도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시켜 열을 전기로 바꾸는 에너지 소자의 특성을 향상 시켰다.