계명대 김익현 교수 연구팀, 영국왕립화학회 학술지 표지 논문 선정

계명대 기계공학과 김익현 교수 연구팀이 충격파 유동을 이용해 Cadmium Telluride (CdTe)의 결정 구조가 기존의 아연 블렌드 구조에서 암염형 구조로 전이된 후 다시 원래 구조로 복귀하는 ‘재구성 가능한 가역적 상전이’ 현상을 정밀하게 입증했다.

해당 연구는 영국왕립화학회(RSC)에서 발행하는 무기·결정학 분야의 권위있는 국제학술지 CrystEngComm에 ‘충격파에 의해 유도된 동적 재결정화를 통한 카드뮴 텔루라이드의 Zinc Blende에서 Rocksalt 구조로의 재구성형 상전이 분석’이라는 제목으로 게재됐다.

CdTe는 넓은 직접 밴드갭, 우수한 광흡수 효율, 고방사선 저항성 등의 특성을 지녀 박막 태양전지, 고감도 방사선 검출기, 고속 광전자 소자 등 차세대 에너지 및 전자기기 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 극한 환경에서도 안정적인 물성과 구조를 유지할 수 있어 고기능성 반도체로 각광받아 왔다.

다만, CdTe의 뛰어난 물성에도 불구하고, 결정 구조나 전자적 특성을 정밀하게 제어하기 위해 고가의 장비, 복잡한 공정, 장시간의 열처리 조건 등이 요구된다는 한계가 있었다. 이에 반해 이번 연구에서 활용된 충격파 유동 실험은 비교적 단순한 실험 설정과 짧은 처리 시간만으로도 원자 배열 수준의 구조 변화와 물성 조절이 가능하다는 점에서 기존 방식에 비해 훨씬 경제적이고 효율적인 대안이 될 수 있음을 제시했다.

이번 연구에서 연구팀은 520 K 온도, 마하수 1.5 조건에서 CdTe 소재에 충격파 유동을 반복 조사한 결과 약 300회 충격에서 아연 블렌드 구조가 암염형 구조로 전이됐으며 400회 충격 이후 다시 원래 구조로 복원되는 현상을 확인했다. 이는 기존 고압 조건에서 나타나던 단방향적 상전이와 달리 충격파 기반 동적 재결정화 메커니즘을 통해 원자 구조가 전환·복원되는 새로운 사례다.

충격파 유동은 CdTe의 구조적 물성에도 직접적인 영향을 미쳤다. 밴드갭은 3.31 eV에서 3.16 eV로 감소한 뒤 3.30 eV로 회복됐으며, 광발광(PL) 피크 또한 가역적인 파장 이동을 보였다. 형태 분석에서도 300회 충격 후 불균일해진 표면이 400회 충격 이후 균일한 층상 구조로 복원되며 구조적 안정성이 입증됐다.

김익현 계명대 기계공학과 교수는 “이번 연구 성과는 극한 환경에서도 구조적 안정성과 기능적 복원력이 요구되는 차세대 광전자 소자, 방사선 검출기, 에너지 변환 장치 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 크다”고 말했다.

이번 연구는 인도 Sacred Heart 대학 충격파 실험실의 F. Irine Maria Bincy 연구원이 제1저자로, 계명대 충격파 및 기체역학 실험실의 마틴 브리또 교수와 김익현 교수가 공동 교신저자로 참여한 국제 공동연구로 수행됐다. 또 한국연구재단의 해외우수과학자유치사업과 우수신진연구사업 지원을 받아 진행됐다.