[대전타임뉴스=홍대인 기자] 국립 한밭대학교(총장 직무대리 오영식) 신소재공학과 오민욱 교수와 KAIST(총장 이광형) 신소재공학과 정연식 교수 공동연구팀은 미국 노스웨스턴대학교 제프리 스나이더(G. Jeffrey Snyder) 교수팀과의 협력으로 셀레늄계 열전 반도체의 반자리 결함(Antisite defect)을 제어하여 양극성 도핑이 가능하도록 하는 새로운 공정을 개발했다고 29일 밝혔다.

열전 반도체란 온도차가 있을 때 전기가 발생하는 반도체 소재를 말하며, 전자가 많은 n형 반도체와 양공이 많은 p형 반도체는 동일한 온도차가 주어졌을 때 서로 반대 방향의 전류를 발생시킨다.

그리고, 열전 반도체로 이루어진 열전소자는 n형과 p형 반도체를 직렬 연결한 구조로 만들어지기 때문에 열전소재를 소자에 응용하기 위해서는 반도체 소재가 n형과 p형을 모두 나타내도록 불순물 등을 첨가하는 양극성 도핑이 필수적이다.

연구팀은 납과 같은 유해 중금속 기반 열전소재를 대체하는 친환경 소재로 은-비스무트-셀레늄계 열전 반도체에 대해 연구하면서, 이 반도체가 항상 n형 특성을 나타내고 p형 특성이 불안정해 실제 소자에 쓰이지 못하는 한계점에 주목했다.

연구를 통해 은-비스무트-셀레늄계 소재의 낮은 양극성 도핑 능력이 은과 비스무트 원자가 자리를 바꾸는 결정 결함인 반자리 결함과 직접적인 관계가 있으며, 이러한 현상이 셀레늄이 풍부한 환경에서 억제될 수 있음을 제일원리 계산(First-principles calculation)을 이용해 이론적으로 예측했다.

은과 비스무트가 주어진 위치를 벗어나 서로 자리를 바꿀수록 소재는 더욱 강한 n형 특성을 나타내게 되는데, 셀레늄을 소재에 공급함으로써 이러한 현상을 억제할 수 있음을 발견한 것이다.

연구팀은 이에 착안하여 소재에 셀레늄을 충분히 공급하기 위해 셀레늄 증기가 풍부한 환경에서 소재를 열처리하는 공정을 개발하였고, 실제로 열처리된 소재가 안정적인 p형 특성을 보이는 것을 실험적으로 확인했다.

이는 양극성 도핑이 불가능하다고 여겨졌던 은-비스무트-셀레늄계 소재의 p형 특성을 안정적으로 확보한 첫 사례라는 점에서 의미가 있으며, 본 연구 과정에서 개발된 셀레늄 증기 열처리 공정은 향후 다른 셀레늄계 열전소재의 특성을 제어하는데 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

한편, KAIST 신소재공학과 장한휘 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부의 미래소재 디스커버리 사업의 지원으로 수행되었으며, 재료분야 최상위급 국제학술지 ‘Advanced Materials’(인용지수 32.086) 표지 논문으로 9월 22일자 게재됐다.(논문명: Suppressing Charged Cation Antisites via Se Vapor Annealing Enables p-Type Dopability in AgBiSe2–SnSe Thermoelectrics)