계명대 김익현 교수팀, 충격파 활용 열전 소재 에너지 밴드 갭 제어 연구

계명대학교는 기계공학과의 김익현 교수 연구팀이 주도한 충격파를 이용한 열전 소재의 에너지 밴드 갭 제어에 대한 연구결과를 발표했다.

이 연구는 세계적으로 권위 있는 학술단체인 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 국제학술지 CrystEngComm (ISSN:1466-8033, Q1 카테고리) 논문지에 ‘Acoustic shock wave-induced phase transition in indium selenide: Tuning band gap energy for solar cell applications (충격파에 의한 인듐 셀레나이드의 상변이: 태양전지 응용을 위한 에너지 밴드 갭 제어)’라는 제목으로 게재됐다.

본 연구에서 사용된 인듐 셀레나이드는 전자 이동 특성과 빛의 흡·방출 특성이 우수하여 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다. 열을 전기로 변환시킬 수 있는 대표적인 열전 소재로 자동차 배터리, 산업용 폐열 발전, 항공우주용 센서, 태양전지 개발 분야 등에도 광범위하게 응용되고 있다. 이러한 소재의 밴드 갭은 레벨 차이에 따라 전기전도도가 결정되는데 이를 제어하는 것은 광학적·전기적 특성을 향상시키는데 핵심적으로 활용된다.

충격파는 음속을 넘어 전파해 가는 압력파의 일종으로 고밀도의 에너지가 순간적으로 축적되어 방출되는 경우 주로 발생하며, 유체공학에서는 대표적인 비선형 현상으로 알려져 있다. 본 연구에서는 충격파의 고밀도 에너지 특성을 통해 인듐 셀레나이드의 구조적인 상변화를 유도하여 기존의 밴드 갭 특성을 향상시키는 연구결과를 제시했다.

김익현 교수는 “이번 연구 결과는 기존의 밴드 갭 제어방식으로 알려진 복잡하고 고가의 장비 없이 대학 실험실 단위의 비교적 간단한 충격파관(shock tube) 실험을 통해 밴드 갭 특성을 향상시켰다는 점에서 공학적인 의미가 크고 다양한 열전 소재의 광학적·전기적 특성 향상에도 활용할 수 있을 것”이라고 전했다.

이번 연구는 Sacred Heart College의 오비야(Oviya) 연구원이 1저자로 참여하고 계명대학교의 마틴 브리또 다스 교수와 김익현 교수가 공동 교신저자로 참여하여 국제 공동연구를 통해 수행됐다. 해당 연구는 한국연구재단의 해외우수과학자유치사업(Brain pool fellowship)과 우수신진연구사업의 지원을 받아 성과를 올렸다.