한국전기연구원, 열전모듈 경제성·친환경성 높여 상용화

마그네슘 안티모나이드 활용 금속화 공정 및 시제품 개발

국내외 특허 출원 완료…수요 기업 발굴 기술이전 추진

주성재(왼쪽 첫 번째)KERI 박사 연구팀이 '마그네슘 안티모나이드'와 이를 활용해 만든 열전발전 시제품을 들고 포즈를 취하고 있다. 사진 제공=한국전기연구원

주성재 한국전기연구원(KERI) 전기변환소재연구센터 책임연구원 연구진이 친환경 신소재인 ‘마그네슘 안티모나이드’를 이용해 열전발전 모듈의 경제성과 친환경성을 크게 높일 수 있는 금속화 공정 기술을 개발하고 관련 시제품까지 제조했다고 7일 밝혔다.

열전발전은 열전반도체 소재의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 그동안 전극으로는 니켈, 열전반도체 소재로는 비스무트 텔루라이드라는 물질이 쓰였지만, 주요 구성 원소인 텔루륨이 희소해 가격이 높았다.

이에 많은 연구진이 비스무트 텔루라이드와 성능은 비슷하면서도 희소 원소를 포함하지 않아 가격은 5분의 1 수준에 불과한 ‘마그네슘 안티모나이드’를 활용하려 노력하고 있다. 다만 마그네슘 안티모나이드에 적합한 재질의 금속 전극을 쉽고 단순하게 형성할 수 있는 공정 기술이 필요했다.

연구진은 니켈 대신 마그네슘과 구리 포일을 전극으로 활용하며, 마그네슘 안티모나이드 기반의 열전반도체 소재에 전극을 접합해 열전발전 모듈을 제조하는 공정 기술을 개발했다. 마그네슘 호일 전극이 일종의 방어막 역할을 하며 열전반도체 내부 마그네슘의 손실을 막았고, 이를 전도성이 높은 구리 포일로 감싸 열전발전의 특성이 유지되도록 했다.



이번에 개발한 기술은 건식공정에서 금속 포일을 열전반도체 위아래에 직접 붙여 전극을 완성할 수 있어 재현성과 확장성이 높고, 양산화에도 유리하다. 연구진은 이를 기반으로 ‘하이브리드 열전모듈 시제품’까지 제작하고, 성능 검증까지 진행했다. 그 결과 기존 비스무트 텔루라이드만을 사용했을 때보다 제조 원가는 20% 이상 줄이면서 동등한 수준의 성능을 보였다. 현재 해당 기술의 국내외 특허 출원까지 마쳤으며, 수요 기업을 발굴해 기술이전에 나설 계획이다.

주성재 책임연구원은 “열전발전 업계에서 마그네슘 안티모나이드의 장점은 알았지만 전극까지 만드는 금속화 과정이 어렵다 보니 실험실 수준에만 머무르고, 실용화에 필요한 모듈 단계까지는 가지 못했었다”며 “이번 성과는 금속화 과정에서의 한계를 극복했을 뿐만 아니라, 기업들의 열전모듈 활용 접근성을 크게 높였다는 상용화 측면에서도 큰 의의를 지닌다”고 말했다.

(왼쪽부터) 마그네슘 안티모나이드, 금속화 공정을 통해 접합된 열전반도체와 전극, 이를 활용해 제작한 열전발전 모듈 시제품. 사진 제공=한국전기연구원