나노기술 및 정책 정보

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● 일본 도쿄도립대학교, 미국 Rice University 국제 공동 연구진이 106Sm–1의 양호한 전기 전도도를 나타내는 탄소 나노 튜브 섬유에 있어 페르미 에너지(fermi energy)를 최적화함으로써 제벡 계수가 68μVK^–1 라는 비교적 큰 값을 나타내는 것을 규명 

● 고온 발열 디바이스로부터 전기의 흐름을 사용하여 효율적으로 열을 방출하거나 온도 차를 통해 전기 에너지를 끌어낼 수 있는 재료의 실현은 해결해야 할 중요한 과제로, 이를 위해서는 전기 흐름의 용이성을 나타내는 전기 전도도가 크고, 온도 차로부터 전압이 발생하는 크기를 나타내는 제벡 계수가 큰 재료가 개발되어야 하는데, 일반적으로 금속 재료는 전기 전도도가 커지면 제벡 계수가 작아지는 문제가 있어 이를 실현하기 어려웠던 상황 

● 연구진은 106Sm^–1 이상의 좋은 전기 전도도를 나타내는 탄소 나노 튜브 섬유에 있어 체계적으로 도핑량을 변화시킴으로써 제벡 계수 68μVK^–1라는 비교적 큰 값을 나타내는 조건을 발견한 결과, 파워 팩터가 14mWm^–1K^–1라는 매우 큰 값을 나타내는 것을 규명

● 전기 화학적 방법을 이용하여 체계적으로 페르미 에너지와 파워 팩터와의 관계를 조사했으며, 온도 차가 있을 경우 양(+)의 기전력을 발생하는 p형과 음(-)의 기전력을 발생하는 n형을 실현할 수 있고, 페르미 에너지를 최적화하는 것이 최대의 파워 팩터를 실현함에 있어 중요하다는 것을 확인하였으며, 본 연구를 통해 탄소 나노 튜브는 그 모양과 페르미 에너지를 최적화함으로써 온도 차를 통해 매우 효율적으로 전기 에너지를 변환할 수 있음을 확인

● 향후 옷 등에 적용하여 온도 차로부터 고효율로 전기 에너지를 발생시키는‘웨어르블 열전 변환’, 고온 발열 디바이스로부터 효율적으로 열을 방출하는‘액티브 쿨링’ 등 열을 전기 에너지로 변환하는 플렉시블 소자 개발에 기여할 것으로 기대 

※ Nature Communications 게재(2021.08.13.), “Macroscopic weavable fibers of carbon nanotubes with giant thermoelectric power factor”