열전모듈 상용화 앞당길 금속화 공정 기술 개발

한국전기연구원(KERI) 전기변환소재연구센터 주성재 박사팀이 친환경 신소재인 ‘마그네슘 안티모나이드(Mg₃Sb₂)’를 활용해 열전발전 모듈의 경제성과 환경성을 동시에 높일 수 있는 금속화 공정 기술을 개발하고, 이를 적용한 시제품 제작에 성공했다.


열전발전은 양극(P형)과 음극(N형)으로 구성된 열전반도체 양면에 전극을 부착한 뒤, 온도차를 전기로 변환하는 기술이다. 기존에는 니켈 전극과 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃) 소재가 주로 사용됐지만, 비스무스 텔루라이드의 핵심 원료인 텔루륨(Te)의 희소성과 고가 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

이에 따라 산업계는 비스무스 텔루라이드와 유사한 성능을 유지하면서 가격이 5분의 1에 불과한 마그네슘 안티모나이드로 대체하는 연구를 활발히 진행해왔다. 그러나 마그네슘 안티모나이드에 적합한 전극 금속을 적용하는 공정 기술이 뚜렷이 확보되지 않아 기술 상용화에 제약이 있었다.


KERI 연구팀은 기존 니켈 대신 마그네슘·구리 호일을 전극으로 활용해, 마그네슘 안티모나이드와 안정적으로 접합하는 금속화 공정을 개발했다. 마그네슘 호일은 전극과 반도체 사이에서 보호막 역할을 하며 소재 내 마그네슘 손실을 방지하고, 그 위를 구리 호일로 감싸 전도성과 열전 특성을 확보하는 방식이다.

특히 건식 공정으로 금속 호일을 열전반도체 양면에 직접 부착하는 이 방식은 공정이 간단하고 재현성이 높아 양산화에 유리하다. 기존 분말 소재와 전극을 개별 소결하는 복잡한 방법과 달리, 원하는 규격으로 빠르게 접합이 가능하다.


연구팀은 이 공정을 기반으로 하이브리드 열전모듈 시제품을 제작해 성능을 검증했다. 그 결과, 기존 비스무스 텔루라이드만 사용한 경우보다 제조 원가는 20% 이상 절감하면서도, 온도차 100℃ 기준으로 출력밀도 0.1W/cm² 이상을 기록하는 성능을 확보했다.

주성재 박사는 “그동안 마그네슘 안티모나이드를 활용한 열전모듈은 전극 공정의 한계로 실험실 단계에 머물렀지만, 이번 연구를 통해 상용화의 문턱을 넘을 기반을 마련했다”며 “업계의 접근성과 활용 가능성을 크게 높인 데 의의가 있다”고 강조했다.

국내외 특허 출원을 마친 KERI는 향후 수요 기업을 대상으로 기술 이전을 추진할 계획이다. 이번 성과는 에너지 효율 향상과 비용 절감이 요구되는 산업 현장에서 실질적인 수요로 이어질 것으로 기대된다.