KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 국가기반기술연구본부 광전하이브리드연구센터의 김희숙, 최재유 박사 연구팀과 박종래 서울대학교 재료공학부 교수 연구팀이 탄소나노튜브를 실 형태로 제작한 후 별도의 금속 전극 없이 열전 소자에 적용, 기존 열전 소자의 한계를 해결했다고 21일 밝혔다.

탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소 동소체. 열전도율과 기계적, 전기적 특성이 매우 특이해 야구방망이, 골프채, 자동차 부품 등 다양한 구조 물질의 첨가제로도 응용되고 있다.

이번에 성공한 열전소자는 기존 연구와 달리 금속 전극을 사용하지 않아 더욱 유연하고, 내부에서 발생하는 저항이 적어 높은 발전 성능을 갖는다.

연구팀은 탄소나노튜브 실을 합성하고 n-, p- 타입으로 도핑해 열전소자를 제작했다. 또한 금속 전극을 추가로 도입하지 않고 탄소나노튜브 자체의 고전도성을 활용해 전극으로 사용, 소자의 저항을 낮춰 발전밀도를 향상시켰다.

제작된 탄소나노튜브 열전소자는 5도와 40도의 온도 차이에서 각각 10.85 μW/g과 697 μW/g의 발전밀도를 보였다. 이는 보고된 유연 열전 재료를 활용해 만든 열전 소자 중 가장 높은 수치로 평가된다.
 
김희숙 박사는 "이번에 개발한 탄소나노튜브 실을 이용한 열전소자는 가볍고, 기계적 성질이 뛰어나며 높은 열전발전 성능을 보인다"며 "이를 활용하면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것"이라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회 R&D 컨버젼스 프로그램 지원으로 수행됐다. 연구결과는 나노재료 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF: 13.942) 8월 23일에 온라인 게재됐다.

◆용어설명
▲탄소나노튜브 실(Carbon Nanotube Yarn) : 두께 5 nm(나노미터, 십억 분의 1m)의 탄소나노튜브 수천가닥을 꼬아서 실 형태로 제작, 강철의 100배 정도의 강도를 지니며 첨단섬유에 사용.