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공장 배관이나 자동차 엔진에서 버려지는 열을 전기로 바꾸는 열전발전 상용화가 한층 앞당겨질 전망이다.


7일 한국전기연구원(KERI)에 따르면 전기변환소재연구센터 주성재 박사팀이 기존 소재비교 가격은 5분의 1에 불과하고 환경 부담도 적은 ‘마그네슘 안티모나이드(Mg₃Sb₂)’를 열전 모듈에 손쉽게 접목할 수 있는 새 금속화 공정과 시제품 제작에 성공했다. 실험실 단계에 머물던 차세대 열전 소재가 산업 현장에서 적용될 가능성을 높였다는 평가가 나온다. 


열전발전은 N형과 P형 두 반도체를 맞붙인 열전모듈 양 끝에 온도 차를 걸어 전기를 만드는 기술이다. 지금까지는 ‘비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃)’가 표준 소재로 쓰였지만, 핵심 원소인 텔루륨(Te)이 희귀하고 값이 높아 상용화를 가로막았다. 연구자들은 성능은 비슷하면서도 희귀 원소를 포함하지 않아 가격이 상대적으로 저렴한 마그네슘 안티모나이드에 기대를 걸어 왔다. 하지만 신소재에 맞는 금속 전극을 대량으로 형성할 금속화 공정이 마련되지 않아 실제 산업에 적용하기 어려웠다. 


기존 니켈(Ni) 전극은 도금 과정에서 마그네슘 안티모나이드를 부식시켜 모듈 신뢰성을 떨어뜨렸다. 장기간 사용하면 소재 내부의 마그네슘이 빠져나가 성능이 점차 낮아지는 점도 해결할 과제로 지적됐다.





KERI 주성재 박사가 금속 호일을 마그네슘 안티모나이드에 접합하는 금속화 공정을 시연하고 있다. 

주성재 박사팀은 니켈 대신 마그네슘(Mg)과 구리(Cu) 이중 호일을 이용한 새로운 건식 접합 공정을 고안했다. 마그네슘 호일을 열전소재 표면에 직접 밀착시켜 내부 마그네슘 손실을 차단하는 방어막을 만들고, 그 위에 전도성이 뛰어난 구리 호일을 덧대어 전극을 완성했다. 덕분에 후속 납땜 공정도 기존 비스무스 텔루라이드 모듈과 동일한 조건으로 진행할 수 있다.


새로 개발된 기술의 강점은 공정이 단순하다는 데 있다. 종전에는 열전소재 분말과 전극을 고온에서 하나하나 소결해야 했지만, KERI 공정은 금속 호일을 원하는 크기로 잘라 열전반도체에 그대로 접착하면 끝난다. 덕분에 공정 시간과 비용이 절감되고, 재현성과 확장성이 높아 기업의 대량 생산에도 적합하다.


연구팀은 새로운 공정을 적용해 N형 소재로는 마그네슘 안티모나이드를, P형 소재로는 기존 비스무스 텔루라이드를 사용한 하이브리드 열전모듈 시제품을 제작해 성능을 검증했다. 순수 비스무스 텔루라이드 모듈과 같은 발전 성능(온도차 100 ℃에서 출력밀도 0.1 W/㎠ 이상)을 유지하면서 제조 원가는 20% 이상 낮출 수 있음을 확인했다.


KERI는 이번 기술에 대해 국내외 특허 출원을 마쳤으며, 수요 기업을 발굴해 기술 이전을 추진할 계획이다.


KERI 주성재 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.