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나노 물질 그래핀에 구멍… 열전소자 개발
2017년 5월 1일 (월) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2017년 5월호 - 전체 보기 )

나노 물질 그래핀에 구멍… 열전소자 개발
향후 열에너지 변환 웨어러블·플렉시블 열전소자에 적용 기대
국내 연구진이 꿈의 나노 물질인 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 그래핀 나노메쉬(graphene nanomeshes) 구조를 제작하고, 그 특성을 제어하여 높은 열전성능을 보일 수 있는 열전소자 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드 연구센터 손정곤 박사팀은 단일층, 혹은 이중층의 그래핀에 마치 연탄처럼 10나노(nm) 수준의 규칙적인 구멍을 형성하여 그래핀 나노 메쉬 구조를 제작했다고 밝혔다. 이는 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것으로 기대된다. 자료 : 한국과학기술원

미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현
전자 산업의 급속한 발전으로 웨어러블 및 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 급증하면서, 신개념의 자가발전 에너지 변환재료의 개발 필요성이 증가하고 있다. 그 중 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 열전 기술은 향후 원격 의료기기 및 IoT 모바일 기기 등의 자가 전원으로 널리 활용가능한 기술이다. 손정곤 박사팀이 제작한 그래핀 나노메쉬 구조 그래핀은 높은 열전도도를 획기적으로 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 된다. 연구진은 매우 미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현하여 세계 최초로 이 구조의 열전도도와 열전 특성을 측정하는 한편, 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다고 밝혔다.

열전도도 낮추고, 높은 열전계수 확보
열전재료의 성능은 온도변화에 따른 기전력 변화인 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에 반비례한다고 알려져 있다. 그래핀은 기존 소재들과 다른 특이성을 지니고 있는데, 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 열전 특성의 극대화에 걸림돌이 되고 있었다. 연구진이 개발한 10나노 수준의 그래핀 나노메쉬 구조는 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르게 하고, 포논의 움직임이 제어되어 포논 산란(phonon scattering)만을 선택적으로 유발하여 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮췄다. 동시에 패턴으로 인해 양자화 되면서 밴드 갭(band gap)을 생성하여 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증했다.

[그림 1]
(좌) 블록 공중합체의 자기 조립구조를 바탕으로 제작한 10나노 선폭의 그래핀 나노메쉬 전자현미경 사진
(우) 열전달 입자인 포논의 산란을 유발하여 열전도도 감소 측정 및 양자제한 구조를 통해 세계 최초로 열전계수 향상 측정

[그림 2]
(위) 열전도도 측정을 위해 아래샘플에 고분자필름을 이용하여 고분자 나노메쉬를 전사(transfer)하여 공중에 부유하게(suspended) 제작된 그래핀 나노메쉬 샘플
(아래) 전기전도도와 열전 성능을 측정하기 위한 대면적 그래핀 나노메쉬 샘플

연구진은 주로 이론적인 시뮬레이션을 통해서 여러 구조의 나노 패턴이 제안됐던 수준에 그치고 있었던 것을 블록 공중합체(block copolymer)를 기반으로 하는 나노 크기의 패턴을 만드는 나노 리소그래피(nanolithography) 기술을 통해 10나노 이하의 대면적 나노 패턴을 그래핀 위에 형성할 수 있었다. 또한, 이를 통해 초미세 패턴된 그래핀 소재의 열전달 현상 및 열전 특성의 분석이 가능할 수 있었다. 손정곤 박사는 “본 연구의 그래핀 나노 패턴을 통한 열전특성 제어기술은 최근 대안에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 방법으로 떠오른 플렉시블 저온 열전소자의 적용에 새로운 패러다임을 제시할 것이며, 나노 구조화된 저차원 소재, 유연 열전소재의 원천 연구 및 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
이번 연구는 미래창조과학부 글로벌 프론티어 연구개발 사업, KIST 기관 고유연구사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Nano
Energy’에 3월 17일자 온라인 판에 게재됐다. 논문명과 저자정보는 다음과 같다. 논문명 : Significantly reduced thermal conductivity and enhanced thermoelectric properties of single- and bilayer graphene nanomeshes with sub-10 nm neck-width 저자정보 : ( 신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 선임연구원, (제1저자) 한국과학기술연구원 오진우 박사과정

손정곤 박사

용어설명
1. 그래핀 나노메쉬 : 그래핀에 미세패터닝을 통한 나노 크기의 규칙적인 구멍을 뚫은 구조.
2. 포논 산란 : 결정 내의 주기적인 격자진동을 입자로 표현한 포논의 전달 현상이 결정이 왜곡된 부분에서 이동 경로가 변경되는 현상.
3. 밴드 갭 : 반도체, 절연체의 구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지와 낮은 에너지의 차이.
4. 블록 공중합체 : 2종류 이상의 단량체가 AAAA-BBBB의 블록 형태로 연결된 고분자로, 나노 구조를 자연스럽게 형성할 수 있는 소재.

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태그 : 과학기술연구원 그래핀나노메쉬 열전소자
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