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

열전 반도체는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 바꾸거나, 전기로 소재를 직접 냉각하는 전자냉각 시스템(소형냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등)에 사용되고 있으며, 최근 IoT 소자와 웨어러블 기기의 전력원으로 크게 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 소재의 구조 제어만으로 열전 반도체의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

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

열전 반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 열전 반도체에서 전자의 농도는 통상적으로 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용되어 왔다. 이에 반해, 본 연구는 소재 내 구조 결함을 이용하여 전하의 농도를 제어하는 새로운 방법을 제시하고 있다.

열전소재 내 배향이 서로 다른 두 개의 결정입자가 서로 만났을 때 형성되는 결정계면에서는 결정입자 내부에서 유지되고 있던 원자결합 규칙이 깨지게 되므로, 원자들은 원래 있어야 할 위치에서 미세하게 벗어나게 된다. 계면에서 일어나는 원자 결합구조의 변화로 인해서 본래 재료에는 존재하지 않는 새로운 특성이 발현된다.

본 연구진은 비스무스 텔루라이드 열전반도체에 존재하는 결정립 계면에서 자유전자가 생성된다는 사실을 발견하고 이에 대한 물리적 원인을 제시했다. 금속유기화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 결정계면의 농도가 서로 다른 비스무스 텔루라이드 박막을 성장시키고, 결정계면의 농도에 비례하여 자유전자 농도가 증가하는 것을 관찰했다. 또한 실험뿐 아니라 계산을 통해서 계면에 존재하는 원자들의 위치 변화가 소재의 전자구조를 변화시켜 자유전자를 생성할 수 있음을 이론적으로 증명했다.

본 기술은 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.