김익현 계명대 교수팀, 영국왕립화학회 학술지에 논문 게재

충격파 유동을 이용한 열전 소재의 에너지 밴드 갭 제어 성공...광센서·태양전지 분야에서 활용 기대

김익현 계명대 기계공학과 교수, 마틴 브리또 다스 교수, 오비야 뉴질랜드 세이크리드 하트 칼리지 연구원.(왼쪽부터)/사진제공=계명대

계명대학교는 최근 김익현 기계공학과 교수 연구팀이 충격파를 이용한 열전 소재의 에너지 밴드 갭 제어에 성공했다고 10일 밝혔다.

김 교수팀은 김 교수를 비롯해 마틴 브리또 다스 교수, 오비야 뉴질랜드 세이크리드하트칼리지 연구원(제1저자) 등으로 구성됐다.

이들은 전자 이동과 빛의 흡·방출이 우수해 차세대 반도체 소재로 각광받고 있는 인듐 셀레나이드를 연구했다. 인듐 셀레나이드는 열을 전기로 변환할 수 있는 대표적인 열전 소재로 자동차 배터리와 산업용 폐열 발전, 항공우주용 센서, 태양전지 개발 등에도 활용된다. 해당 소재의 밴드 갭은 레벨 차이에 따라 전기전도도가 결정되는데 이를 제어하는 것은 광학적·전기적 특성을 향상하는 핵심 기술이다.

충격파는 음속을 넘어 전파되는 압력파의 일종이다. 고밀도 에너지가 순간적으로 축적돼 방출되는 경우 발생하며, 유체공학에서는 대표적인 비선형 현상으로 알려졌다. 김 교수팀은 충격파의 고밀도 에너지 특성을 이용해 인듐 셀레나이드의 구조적인 상변화를 유도했다. 그 결과 기존 밴드 갭 특성을 향상할 수 있었다.

김 교수는 "밴드 갭을 제어하기 위해서는 복잡하고 값비싼 장비를 사용해야만 했다. 대학 실험실 단위의 비교적 간단한 충격파관(shock tube) 실험을 통해 밴드 갭 특성을 향상했다는 사실은 공학적으로 의미가 크다"며 "이는 다양한 열전 소재의 광학적·전기적 특성 향상에도 응용될 수 있을 것"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 '해외우수과학자유치사업'과 '우수신진연구사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 '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 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry) 학술지 'CrystEngComm'(ISSN: 1466-8033, Q1 카테고리)에 게재됐다.