https://www.dkilbo.com/news/articleView.html?idxno=420976

포스텍, 열전 반도체에 실리콘 활용기술 개발

백창기 교수 등 공동 연구팀
반도체 물질 깎는 공정 통해
나노선 물결 무늬 구조 생성
기존 복잡한 공정 한계 극복

에너지 하베스팅(Energy harvesting)은 버려지는 에너지(폐열, 태양광, 풍력 등)를 유용한 전기로 바꾸는 친환경 에너지 기술이다.

이 중 열과 전기를 상호 변환할 수 있는 기술을 열전 기술(Thermoelectric technology)이라고 부른다. 기존 열전 연구 대부분 독성과 희소성이 높은 금속을 주로 사용하고 있다.

포스텍(포항공과대학교) 연구팀은 최근 친환경 물질인 실리콘(Si)을 열전 반도체 소재로 활용하는 기술을 개발해 진정한 의미의 친환경 에너지 기술을 완성했다.

포스텍 IT 융합공학과·전자전기공학과 백창기 교수 · 통합과정 유형석씨, IT융합공학과·융합대학원 박주홍 교수, 전기전자공학과·반도체공학과 공병돈 교수 공동 연구팀은 기존 반도체 공정을 이용해 친환경 물질을 기반으로 한 고성능 열전 반도체 소재를 만들었다.

연구팀은 반도체 내 포논(phonon)1)의 움직임에 주목했다. 열은 포논이라는 준입자 상태로 이동하는데, 열 손실을 줄이려면 포논의 이동을 막아야 한다.

이에 연구팀은 반도체 물질을 깎는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)2) 공정으로 나노선 표면에 물결 무늬 구조를 만들었다.

이 구조는 마치 거울처럼 포논을 튕겨내며 다양한 산란3)을 유도해, 포논의 움직임을 방해한다.

실험 결과, 이 공정으로 표면이 가공된 실리콘 나노와이어는 기존 벌크 실리콘(Bulk silicon)4) 대비 열전도도가 약 30분의 1로 감소했으며, 열전 성능은 약 300배 향상되었다. 기존 반도체 공정으로 실리콘의 한계를 극복하고, 대면적 반도체 공정 기술을 통해 열전 반도체 대량생산과 상용화의 가능성을 엿본 것이다.

연구를 이끈 백창기 교수는 “이번 연구는 글로벌 보일링(Global boiling) 시대를 대비하는 열전 반도체 상용화에 큰 주춧돌을 놓아 에너지 절감에 크게 기여할 것”이라며, “다양한 제조 산업 현장에서 소자의 성능을 검증하고, 기술 상용화를 추진하겠다”는 의지를 전했다.

권영진 기자 b0127kyj@naver.com