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국내 연구팀이 열을 전기로 전환하는 열전발전 모듈의 재료와 공정을 개선해 제조원가를 20% 이상 줄이는 데 성공했다.
한국전기연구원은 주성재 전기변환소재연구센터 책임연구원팀이 친환경 신소재인 '마그네슘 안티모나이드(Mg3Sb2)'를 이용해 열전발전 모듈의 경제성과 친환경성을 높이는 금속화 공정 기술을 개발하고 시제품까지 제조하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.
열전 발전은 P형(+)과 N형(-)으로 구성된 열전반도체 소재 위아래에 각각 전극을 형성하고 양끝의 온도 차이를 전기에너지증권분석
로 변환하는 기술이다. 폐열 회수 분야 등에서 활용이 유망하다. 그동안 열전발전 모듈 전극에는 니켈(Ni)이, 열전반도체에는 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3)라는 물질이 활용됐다. 주요 구성 원소인 텔루륨(Te)이 희소하고 가격이 높다는 점이 걸림돌이다.
과학자들은 열전모듈의 N형 반도체에 비스무스 텔루라이드와 성능은 유사하고 가격은 5w스탁
분의 1 수준인 마그네슘 안티모나이드를 대체 적용하기 위해 노력하고 있다. 마그네슘 안티모나이드에 적합한 재질의 금속 전극을 쉽고 단순하게 형성하는 금속화 공정 기술 개발이 미비하다는 점이 한계다.
연구팀은 기존 니켈 전극이 마그네슘 안티모나이드를 침식시켜 열전 특성이 저하된다는 점에 주목해 새로운 전극 물질을 찾아냈다. 니켈 대신 마그아이펀드추천
네슘과 구리 호일을 전극으로 활용해 N형 마그네슘 안티모나이드에 효과적으로 접합하고 개량된 열전발전 모듈을 손쉽게 제조하는 신개념 금속화 공정 기술을 개발한 것이다.



마그네슘 및 구리 호일을 이용한 '마그네슘 안티모나이드' 금속화 공정 기술 원리. 전기연 제공
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마그네슘 호일 전극이 방어막 역할을 하며 열전반도체 내부 마그네슘의 손실을 1차로 막고 전도성이 높은 구리 호일로 감싸 열전발전 특성을 확보하는 원리다.
기존 기술은 분말 형태의 열전반도체 소재와 전극을 일일이 하나로 결합하는 방식이었기 때문에 시간과 비용이 많이 들었다. 이번에 개발된 기술모바일게임
을 통해 간단하게 원하는 규격으로 열전반도체와 전극을 접합할 수 있다. 재현·확장이 용이해 기업들의 양산화에도 유리하다는 평가다. 
연구팀은 소재 합성과 금속화 공정 기술을 기반으로 하이브리드 열전모듈 시제품을 제작해 성능 검증도 진행했다. 그 결과 비스무스 텔루라이드만을 사용했을 때보다 제조원가는 20% 이상 줄이면서 동등한 수준의 성능이 확인됐다.
주 책임연구원은 "마그네슘 안티모나이드를 전극까지 만드는 금속화 과정이 어렵다 보니 실험실 수준에만 머무르고 실용화에 필요한 모듈 단계까지 가지 못했다"며 "금속화 과정에서의 한계를 극복하고 상용화 측면에서 기업들의 열전모듈 활용 접근성을 크게 높였다는 점이 큰 의의"라고 밝혔다.
전기연은 이번에 개발된 기술에 대한 국내외 특허 출원을 마쳤다. 이후 수요 기업을 발굴해 기술이전에 나설 계획이다.
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]