KIST, 전자농도 조절 물리현상 발견

(왼쪽부터) 김진상, 백승협 박사. <사진=KIST 제공>
(왼쪽부터) 김진상, 백승협 박사. <사진=KIST 제공>
국내 연구진이 소재의 구조 제어만으로 열전 반도체의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 백승협, 김진상 전자재료연구단 박사 공동연구팀이 외부 불순물 첨가 대신 소재의 미세구조로 열전반도체(비스무스 텔루라이드) 전자농도를 조절할 수 있는 새로운 물리현상을 발견했다고 17일 밝혔다.

열전반도체에서 전자농도 조절은 소재의 성능을 좌우할 수 있게 도와준다. 특히 열전반도체 소재의 냉각능력과 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소다.

열전반도체는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 바꾸거나, 전기로 소재를 직접 냉각하는 전자냉각 시스템(소형냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등)에 사용되고 있다. 최근 IoT 소자와 웨어러블 기기의 전력원으로 크게 각광받고 있다.

열전반도체에서 전자의 농도는 통상적으로 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용돼 왔지만, 연구팀은 소재 내 구조 결함을 이용해 전하의 농도를 제어하는 새로운 방법을 제시했다.

특히 비스무스 텔루라이드 열전반도체에 존재하는 결정립 계면에서 자유전자가 생성된다는 사실을 발견하고 이에 대한 물리적 원인을 제시했다.

연구팀은 "금속유기화학 증착법(MOCVD)을 이용해 결정계면의 농도가 서로 다른 비스무스 텔루라이드 박막을 성장시키고, 결정계면의 농도에 비례해 자유전자 농도가 증가하는 것을 관찰했다"면서 "실험뿐 아니라 계산을 통해서 계면에 존재하는 원자들의 위치 변화가 소재의 전자구조를 변화시켜 자유전자를 생성할 수 있음을 이론적으로 증명했다"고 설명했다.

연구팀에 따르면 불순물 도핑을 통해 단결정 형태로 생산돼오던 기존 비스무스 텔루라이드 열전소재 도핑이 필요치 않는 다결정 형태로 제조가 가능함을 의미하며, 이는 생산에 매우 효과적인 방법이다.

백승협 박사는 "이번 연구를 통해 열전반도체 뿐 아니라, 비슷한 결정 구조를 갖는 이차원 층상구조 칼코게나이드(layered chalcogenide) 예를 들어 이황화몰리브텐(MoS2)와 같은 다양한 반도체 소재에서 전기적 특성을 이해하는 데 새로운 시각을 제공할 것으로 기대된다"고 말했다.  

연구결과는 'Nature Communications' 16일자 온라인으로 게재됐다.

비스무스 텔루라이드 결정계면의 전자현미경사진 및 결정계면의에 따라 증가되는 전자 농도 <사진=KIST 제공>
비스무스 텔루라이드 결정계면의 전자현미경사진 및 결정계면의에 따라 증가되는 전자 농도 <사진=KIST 제공>
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