열전 반도체 고효율 제조 기술 개발

열전 반도체 고효율 제조 기술 개발

 

한국 과학 기술 연구원(KIST) 전자 재료 연구단 백승협 박사팀은 냉각 능력을 얻기 위한 새로운 기계적 도핑 기술을 적용해 고효율 열전 반도체를 대량 생산하는 기술을 완성했다고 2018년 03월 29일 발표했다. 사물 인터넷(IoT)이나 웨어러블 기기는 주변 상황에 반응해 작동한다. 이에 적합한 전력원으로 쓰이는 것이 바로 열전 반도체이다.

 

열전 반도체는 열전 현상을 일으키는 반도체이다. 열전 현상은 주변의 온도차를 전기 에너지로 바꾸거나 전기를 가했을 때 한 쪽은 냉각되고 남은 한 쪽은 가열되게 하는 두 가지 성질을 모두 뜻한다. 소재를 냉각하거나 직접 전기를 만들 수 있기 때문에 소형 냉장고나 자동차 의자 냉각기 등 전자 냉각 시스템의 핵심 부품으로 쓰인다. 미래 이동용 기계에도 널리 적용될 전망이다.

 

현재 상온에서 가장 효율이 우수한 열전 반도체는 비스무트(Bi)와 텔루륨(Te)을 층상 구조로 배열한 ‘비스무스 텔루라이드’란 소자로 만든다. 하지만, 쉽게 깨지는 단점이 있어 생산 효율은 낮고 단가는 높았다.

 

열전 반도체의 전기 생산 능력과 냉각 능력 등은 전자의 농도에 좌우된다. 전자의 농도를 안정적으로 유지하려면, 깨지기 쉬운 비스무스 텔루라이드가 튼튼한 구조를 갖게 해야 한다. 이를 위해 비스무스 텔루라이드를 분말 형태로 제작해 불순물 첨가해 단단하게 변형시켜 전자를 확보하는 기술을 사용했다. 이를 '불순물 도핑'이라고 불렀다.

 

이번에 연구팀은 불순물을 별도로 넣지 않고도 비스무스 텔루라이드의 전하 농도를 안정적으로 제어하는 기계적 도핑 방법을 찾아냈다. 비스무스 텔루라이드 소재를 녹여 전자의 농도를 조절한 다음, 압력을 가해 결정의 방향을 한 곳으로 정열하는 압출 공법 방식으로 열전 효율을 극대화했다.

 

백승협 박사는 “불순물 도핑을 위해 분말 형태로 비스무스 텔룰라이드를 제조하는 공정이 필요없는 기계적 도핑 개념을 최초로 적용한 것”이라며, “공정 단가를 줄였을 뿐아니라 성능 좋은 열전 반도체를 안정적으로 생산할 수 있게 됐다”고 말했다. 이 연구는 학술지 ‘엑타 머티리얼리아(Acta Materialia)’ 2018년 03월 15일자 온라인판에 게재됐다.