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KERI 주성재 박사(왼쪽) 연구팀이 ‘마그네슘 안티모나이드’와 이를 활용해 만든 열전발전 시제품을 들고 있다. [KERI 제공]

[헤럴드경제 = 김상수 기자] 한국전기연구원(KERI) 전기변환소재연구센터 주성재 박사팀이 친환경 신소재인 ‘마그네슘 안티모나이드’를 이용해 열전발전 모듈의 경제성·친환경성을 크게 높이는 금속화 공정 기술을 개발했다.

7일 KERI에 따르면, 열전발전은 P형(+)과 N형(-)으로 구성된 열전반도체 소재의 위·아래에 각각 전극을 형성하고, 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 그동안 전극으론 니켈(Ni)이 사용되고, P·N형 열전반도체 소재로는 ‘비스무스 텔루라이드(Bi2Te3)’란 물질이 활용됐다. 문제는 주요 구성 원소인 텔루륨(Te)이 지구상 매우 희귀하고 가격이 높다는 데에 있다.

이에 많은 연구진이 비스무스 텔루라이드와 유사한 성능에도 가격은 1/5 수준에 불과한 ‘마그네슘 안티모나이드’를 대체 적용하려는 시도를 이어가는 중이다. 다만, 마그네슘 안티모나이드에 적합한 재질의 금속 전극을 쉽고 단순하게 형성할 수 있는 일명 ‘금속화 공정 기술’의 개발이 그동안 미비해 한계로 꼽혔다.

주성재 박사팀은 니켈 대신 마그네슘·구리 호일을 전극으로 활용해 마그네슘 안티모나이드에 효과적으로 접합하고, 개량된 열전발전 모듈을 손쉽게 제조하는 신개념 금속화 공정 기술을 개발했다. 마그네슘 호일 전극이 일종의 방어막 역할을 하며 열전반도체 내부 마그네슘의 손실을 막았고, 이를 전도성이 높은 구리 호일로 감싸 열전발전의 특성이 유지되도록 했다.

이 기술은 재현성과 확장성이 높고, 기업들의 양산화에도 유리하다. 기존엔 분말 형태의 열전반도체 소재와 전극을 일일이 하나로 소결하는 방식이었기 때문에 시간과 비용이 많이 들었지만, KERI 기술을 활용하면 간단하게 원하는 규격으로 열전반도체와 전극을 접합할 수 있다.

연구팀은 이러한 소재 합성 및 금속화 공정 기술을 기반으로, ‘하이브리드 열전모듈 시제품’까지 제작하고, 성능 검증까지 진행했다. 그 결과 기존 비스무스 텔루라이드만을 사용했을 때보다 제조원가는 20% 이상 줄이면서 동등한 수준의 성능을 확인했다.

주성재 KERI 박사는 “열전발전 업계에서 마그네슘 안티모나이드의 장점은 알았지만, 전극까지 만드는 금속화 과정이 어렵다 보니 실험실 수준에만 머무르고, 실용화에 필요한 모듈 단계까지는 가지 못했었다”라고 연구 배경을 설명하며 “우리의 성과는 금속화 과정에서의 한계를 극복했을 뿐만 아니라, 기업들의 열전모듈 활용 접근성을 크게 높였다는 상용화 측면에서도 큰 의의를 지닌다”라고 밝혔다.

국내외 특허 출원까지 마친 KERI는 이번 성과가 열전발전을 통해 에너지 비용을 절감하려는 산업계 수요를 발굴, 기술이전에 나설 계획이다.

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