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온도 차를 전기 에너지로...열전 반도체 고효율 제조 기술 개발

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온도 차를 전기 에너지로...열전 반도체 고효율 제조 기술 개발

2018.03.29 12:06

사물인터넷(IoT)이나 웨어러블기기는 주변 상황에 반응해 작동한다. 이에 적합한 전력원으로 열전 반도체가 주목받고 있다. 최근 국내 연구팀이 고효율 열전 반도체 생산 공정을 개발했다.

 

한국과학기술연구원(KIST)은 KIST 전자재료연구단 백승협 박사팀이 냉각능력을 얻기 위한 새로운 기계적 도핑 기술을 적용해 고효율 열전 반도체를 대량 생산하는 기술을 완성했다고 29일 발표했다.

 

 

-KIST 제공(
(A)열전반도체를 만드는 비스무스 텔루라이드를 녹여 전자를 화보한다.
(B)압출공법으로 결정을 한쪽으로 배열해 열전효율을 극대화한다.
 -KIST 제공

열전 반도체는 열전 현상을 일으키는 반도체다. 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 소형냉장고나 자동차 의자 냉각기(시터쿨러) 등 전자냉각 시스템의 핵심부품으로 쓰인다. 미래 이동용 기계에 도널리 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 생산능력과 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 압출공법 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)’ 3월 15일자 온라인판에 게재됐다.

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