KERI, 마그네슘 안티모나이드 열전모듈 금속화 공정 개발

한국전기연구원(KERI) 주성재 박사팀이 ‘마그네슘 안티모나이드(Mg₃Sb₂)’를 활용한 열전발전 모듈 금속화 공정 기술을 개발하고, 상용화를 위한 시제품 제작과 성능 검증에 성공했다.

한국전기연구원(KERI) 전기변환소재연구센터 주성재 박사팀은 친환경 신소재 ‘마그네슘 안티모나이드(Mg₃Sb₂)’를 이용해 열전발전 모듈의 경제성과 친환경성을 높일 수 있는 금속화 공정 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 해당 공정을 기반으로 시제품을 제작하고 성능 검증까지 완료했다.


열전발전은 P형(+)과 N형(-) 열전반도체 소재의 위·아래에 전극을 형성해 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 기존에는 니켈 전극과 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃) 소재가 사용됐지만, 텔루륨(Te)의 희소성과 높은 가격이 한계로 지적돼 왔다.

이에 연구팀은 가격이 1/5 수준이면서도 유사한 성능을 가진 ‘마그네슘 안티모나이드’를 N형 반도체 소재로 적용하는 방안을 추진해왔다. 그러나 기존 니켈 전극은 도금 과정에서 마그네슘 안티모나이드를 침식시키는 문제가 있었고, 장기 운전 시 마그네슘 손실로 성능 저하가 발생했다.

주 박사팀은 이를 해결하기 위해 마그네슘과 구리 호일을 전극으로 활용하는 새로운 금속화 공정을 개발했다. 마그네슘 호일 전극이 방어막 역할을 해 소재 손실을 막고, 구리 호일이 전도성을 보강해 성능을 유지하도록 설계했다. 해당 공정은 금속 호일을 열전반도체 위·아래에 직접 부착하는 간단한 방식으로, 기존 소결 방식보다 재현성과 확장성이 높아 기업 양산에도 유리하다.


연구팀은 이 공정으로 제작한 하이브리드 열전모듈 시제품의 성능 검증을 통해, 기존 비스무스 텔루라이드만을 사용했을 때보다 제조원가는 20% 이상 절감하면서도 동등한 출력밀도(온도차 100℃ 인가 시 0.1 W/cm² 이상)를 확보했다고 밝혔다.

주성재 박사는 “열전발전 업계에서 마그네슘 안티모나이드의 장점은 알려져 있었지만, 금속화 공정의 어려움으로 실험실 수준에 머물러 왔다”며, “이번 기술은 상용화를 가로막던 금속화의 한계를 극복해 기업들이 열전모듈을 보다 쉽게 활용할 수 있도록 했다”고 말했다.

KERI는 현재 국내외 특허 출원을 완료했으며, 이번 성과를 기반으로 수요 기업을 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.