– ‘Construction and Building Materials’ 게재… 열전성능 및 기계적 물성 동시 향상 –

원광대학교 첨단바이오소재학과 조충연 교수와 건축공학과 최세진 교수 연구팀이 열환원 탄소나노튜브·산화그래핀 네트워크를 활용한 고성능 열전 구조용 시멘트 복합소재를 개발하고, 연구 결과를 건설·건축 재료 분야 국제학술지 ‘Construction and Building Materials’ 최신호에 게재했다.

이번 연구에는 건축공학과 이재인(사진 왼쪽) 박사과정생과 탄소융합공학과 임석훈(사진 오른쪽) 학부생이 공동 제1저자로 참여했으며, 시멘트 구조체 자체에서 버려지는 열을 전기에너지로 변환할 수 있는 열전 콘크리트 기술 구현을 목표로 수행됐다.

연구팀은 친환경 수용성 분산제인 산화그래핀(GO)을 활용해 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 시멘트 매트릭스에 균일하게 분산시키고, 저온 열처리를 통해 산화그래핀을 환원(rGO)하는 공정을 적용했다. 이를 통해 기존 전도성 네트워크의 계면 저항을 낮추고 전자 이동을 위한 3차원 전도성 경로를 구축했다.

그 결과 열처리 후 전기전도도는 0.29 S/m에서 1.55 S/m로, 제벡 계수는 95 μV/K에서 132 μV/K로 각각 향상됐으며, 파워팩터는 2.71×10⁻² μW/m·K²로 열처리 전보다 10배 이상 증가했다. 열전도도는 0.93 W/m·K까지 낮아지면서 열전성능지수(ZT)도 8.67×10⁻⁶까지 향상됐다.

기계적 물성도 개선됐다. 0.5 wt% SWNT/rGO 복합소재의 28일 압축강도는 38.6 MPa로 일반 시멘트 대비 22.5% 높았으며, 인장·휨강도와 수분흡수율, 탄산화 저항성 등 내구성 지표도 개선된 것으로 나타났다.

이번 연구는 고가의 희귀금속을 사용하지 않고 친환경 수계 공정과 저온 열처리를 적용해 시멘트 기반 기능성 소재를 구현했다는 점에서 의미가 있으며, 향후 건물 외벽과 도로, 교량 등 다양한 인프라에서 주변 폐열을 활용하는 에너지 하베스팅 소재로의 활용 가능성이 제시됐다.

조충연 교수는 “이번 연구는 친환경 열처리 공정을 통해 시멘트 내부의 전자 이동도와 포논 산란 특성을 동시에 제어해 열전 효율을 높인 성과”라고 말했다.

최세진 교수는 “수동적인 구조재에 머물던 시멘트가 에너지를 생산하는 기능성 소재로 활용될 가능성을 제시했다”며 “향후 친환경 스마트 인프라 구현을 위한 관련 연구를 이어가겠다”고 밝혔다.