폐열 수집이 가능한 폴리머 기반 나노탄소물질 열전 필름 제작

Abstract

열전 효과(Thermoelectric effects)란 열전 물질에 온도 차이가 발생했을 때, 기전력이 발생하는 현상을 말한다. 반대로 열전 물질에 기전력을 가하였을 때, 온도 차이가 발생하는 현상 역시 열전 효과라 말한다. 이 현상을 이용한 응용 분야로 열전 발전기(Thermoelectric generator)와 열전 냉각기(Thermoelectric cooler)가 있다.

최근 여러 산업 분야에서는 석탄, 석유 등 화석연료를 이용하여 에너지를 사용하고 있으며, 상당 부분의 에너지는 폐열로써 방출되고 있다. 따라서 이렇게 방출되는 폐열을 회수하여 전기에너지로 생산하는 에너지 열전 소자가 주목을 받고 있다.

열전 효과를 이용한 열전 발전은 열에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있으며, 전력을 생산하면서 움직이는 부품이 없다. 이러한 특성으로 부품의 마모가 없으며 소음이 없어 높은 신뢰성을 가지며, 낮은 유지비를 갖는 장점을 갖는다. 그러나 낮은 효율이 가장 큰 단점으로 알려져 있으며, 다양한 연구를 통해 효율을 높이고자 하는 노력이 진행 중이다.

대표적으로 사용되는 열전 물질로 비스무스(Bi)와 텔루륨(Te)을 이용한 Bi-Te계 금속화합물이 있으며, 이외에 다양한 물질을 이용하여 높은 열전 효율을 갖는 고체 열전 물질 개발을 위한 연구가 활발히 수행되어 왔다. 그러나 고체 열전 물질로 사용되는 재료들은 희소성을 가지기 때문에 가격이 비싸며, 독성에 대한 위험성을 가지고 있다. 또한 화학적으로 내구성이 약하고, 기계적 강도까지 약하여 쉽게 부서지는 특징을 가지고 있어, 여러 응용 분야로 적용하는데 많은 한계점을 가지고 있다.

본 논문에서는 고체 열전 물질이 가지고 있는 한계점을 극복하기 위해 쉽게 구할 수 있는 전도성 폴리머(Conducting polymer)와 높은 전기전도도를 가지고 있는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 이용하여 폴리머 기반 나노탄소물질 열전 필름을 제작하였다. 제작된 열전 필름에 온도 차이를 가하여 발생되는 전압을 측정하였고, 원활한 전하의 이동을 확인하기 위해 전기전도도를 측정하였다.

제작된 열전 필름은 유연하며 대면적, 대량 생산이 가능하고, 가격이 저렴하며 저온 영역에서 구동할 수 있는 특징을 갖는다. 이러한 장점들을 통해, 기존 열전 재료에서의 한계점을 극복할 수 있는 가능성을 제시하였다.