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그래핀으로 ‘열 에너지 수확’ 가능해진다

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2018년 09월 02일 19:26 프린트하기

 

휘어지는 디스플레이 등 다양한 전자제품에 사용될 것으로 기대되는 ‘그래핀’을 생활 속에서 미세하게 발산되는 에너지를 수확하는 ‘열전 소자’ 등 에너지 소자로 개발할 길이 열렸다.


박현우 국민대 신소재공학과 연구원과 이현정 교수팀은 그래핀 속 전자나 정공(전자가 빠진 자리)의 움직임을 개선하는 등, 그래핀이 에너지를 처리하는 소자로 기능할 수 있게 하는 새로운 가공 방법을 개발해 학술지 ‘영국왕립학회 재료화학회지A’ 8월 28일자에 발표했다.


반도체 등에서 전자가 있는 가장 높은 에너지띠부터 가장 낮은 에너지띠 사이에 보이는 에너지의 차이를 ‘띠틈(밴드갭)’이라고 한다. 모든 반도체는 이 차이를 이용해 제어한다. 띠틈 주변에서 전자로 하여금 에너지를 흡수하게 하거나 내뱉게 하면 전압이 발생되기도 하고, 빛을 흡수하거나 내게 할 수도 있다.


그래핀은 전기가 잘 통하고 유연하며 얇은 좋은 전자 재료지만, 띠틈이 0이라서 전기적 성질을 제어하기 어렵다는 단점이 있었다. 기존에는 그래핀의 가로세로 비율을 조절하거나, 다른 물질을 섞어서 인위적으로 띠틈을 조정하는 방법을 썼지만 한계가 많았다.


연구팀은 그래핀에 산소가 결합한 산화 그래핀에서 산소가 결합한 정도를 조절하는 방법과, 산화 그래핀 안의 붕소와 질소 불순물을 바꾸는(치환하는) 방법으로 그래핀 내부의 에너지 상태(준위)를 다양하게 만들 수 있다는 사실을 발견했다. 다양한 에너지 상태가 내부에 형성되면 자연히 띠틈을 응용할 수 있게 된다.


연구팀은 특히 온도차가 있을 때 다양한 에너지 준위가 생기는 과정을 새롭게 밝혀냈다. 이를 역으로 이용하면 열을 이용해 전기를 만드는 열전 에너지 소자로 활용할 수 있다는 뜻이다.


이 교수는 “탄소 기반의 전자, 또는 에너지 재료를 이용하기 위해서는 각각 다른 에너지 준위와 전기적 특성이 필요하다”며 “이번 연구로 기본적인 특성을 파악한 만큼 미래에 열전에너지 소자를 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.
 

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