'온도차로 전기 생산' 열전반도체 新공정 개발

[아이뉴스24 김문기 기자] 최근 국내 연구진이 온도차를 전기로 생산하는 고효율 열전소재를 대량 생산할 수 있는 새로운 공정기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 김진상, 백승협 박사팀은 기존의 방식과 다른 기계적 도핑 및 압출공법으로 생산성에 기반한 고내구성, 고효율의 열전소재 제조 기술을 개발했다고 29일 발표했다.

열전반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 중요한 요소이다. 통상적으로 열전 반도체 내의 전자의 농도는 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용됐다.

KIST 연구진이 개발한 열전반도체 제조 방법은 기존의 단결정 형태의 제조공정에서 요구되는 불순물 도핑, 장시간소요, 고비용의 단점을 탈피한 방식으로 생산성에 진일보한 기술이다.

비스무스-텔루라이드 기반 소재를 녹인 후 기계적으로 변형을 가해 전자농도를 조절하고, 압출공법을 통해 열전 반도체 내 결정립의 방향을 한 방향으로 정렬함으로 열전효율을 극대화했다. 열전재료 제조공법은 가격·성능·내구성 면에서 높은 경쟁력을 가진 혁신적인 공정 기술이 될 것으로 기대된다.

비스무스 텔루라이드는 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수를 가지고 있다. 이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용된다.

연구진은 열전 반도체에서 전자의 농도가 불순물의 주입에 의해 조절되는 것 뿐만아니라 열전반도체 재료의 변형에 따른 내부응력, 결정립 계면에 의해서도 조절될 수 있음을 증명했다.

이러한 사실을 기반으로 열전반도체 재료를 분말형태로 제조하지 않고 단지 기계적 변형을 통해 제조함으로 공정단가를 줄였을 뿐 아니라 분말제조 공정이 필요치 않음으로 재료성능의 재현성을 크게 개선할 수 있었음을 입증했다.

백승협 KIST 박사는 "열전 반도체에서 기계적 도핑 개념을 적용하면 원재료 순도와는 무관하게 최적 열전성능을 나타내는 맞춤형 도핑이 가능할 뿐 아니라, 비슷한 결정 구조를 갖는 다양한 반도체 소재의 물리적 특성을 제어하고 안정적으로 생산하는 공정에도 적용될 것으로 기대된다"고 말했다.