KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 손정곤 광전하이브리드연구센터 박사팀이 단일층 혹은 이중층의 그래핀에 마치 연탄처럼 10 나노(nm) 수준의 규칙적인 구멍을 형성해 그래핀 나노메쉬 구조를 제작, 열전소자 개발에 성공했다고 27일 밝혔다.

그래핀 나노메쉬란 그래핀에 미세패터닝을 통한 나노크기의 규칙적인 구멍을 뚫은 구조를 말한다. 이 구조는 그래핀의 높은 열전도도를 획기적으로 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 해준다.

연구진은 "매우 미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현해 이 구조의 열전도도와 열전 특성을 측정, 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다"고 설명했다.

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.

반면 연구진이 개발한 10 나노 수준의 그래핀 나노메쉬 구조는 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르게 하고, 포논의 움직임이 제어되어 포논 산란(phonon scattering)만을 선택적으로 유발해 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮출 수 있다.

동시에 패턴으로 인해 양자화되면서 밴드갭(band gap)을 생성해 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증했다. 

연구결과는 에너지 분야의 학술지 'Nano Energy'에 3월 17일자 온라인 판에 게재되었다.