▲ 비스무스 텔루라이드 결정계면에서 생성되는 전자 모식도 (왼쪽 결정립과 오른쪽 결정립계면에서 전자형성).

국내 연구진이 소재의 구조 제어만으로 냉온정수기, 소형냉장고등에서 널리 사용되는 열전 반도체의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 백승협, 김진상 박사 공동연구팀(제1저자 김광천 연구원, 박사과정)은 지난16일 대표적인 열전 반도체인 비스무스 텔루라이드 소재의 성능을 좌우하는 전자 농도를 외부 불순물을 첨가없이 소재의 미세구조 조절로 가능하다는 새로운 물리현상을 발견했다고 밝혔다.

비스무스 텔루라이드는 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있었지만 쉽게 깨지는 특성으로 제작 수율이 떨어지고 단가가 높은 단점이 있다.

열전 반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소로 불순무루을 첨가하는 도핑기술로 전자의 농도를 결정해왔다.

하지만 연구진은 기존의 방법과 다르게 소재 내 구조 결함을 이용하여 전하의 농도를 제어하는 새로운 방법을 제시했다.연구진은 비스무스 텔루라이드 열전반도체에 존재하는 결정립 계면에서 자유전자가 생성된다는 사실을 발견하고 이에 대한 물리적 원인을 제시하였다.

금속유기화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 결정계면의 농도가 서로 다른 비스무스 텔루라이드 박막을 성장시키고, 결정계면의 농도에 비례하여 자유전자 농도가 증가하는 것을 관찰하였다.

불순물 도핑을 통하여 단결정 형태로 생산되어오던 기존 비스무스 텔루라이드 열전소재를 도핑이 필요치 않는 다결정 형태로 제조가 가능함을 의미하며, 이는 생산에 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다.

백승협 박사는 “본 연구를 통해 열전 반도체 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 밝혔다.

한편, 해당 연구는 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 창의형 융합연구사업 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제 저명저널인 ‘Nature Communications’(IF:11.32) 8월 16일자 온라인으로 게재되었다.